(57)【要約】  【課題】  従来よりも温度安定性が優れた薄膜共振器を提供する。  【解決手段】  中央に空洞１２を設けたSi基板１１の上に、下部電極１３と上部電極１５で上下を挟んだZnO薄膜１４を設ける。このZnO薄膜１４は[0001]方向がZnO薄膜１４の面に平行な１方向に配向している。本発明の薄膜共振器においてはZnO薄膜１４内に横波共振が生じる。圧電体薄膜の共振周波数の温度変化は縦波共振よりも横波共振の場合の方が小さいため、本発明の薄膜共振器は従来の縦波共振が生じる薄膜共振器よりも優れた温度安定性が得られる。また、本発明の薄膜共振器は従来の薄膜共振器よりも面積を小さくすることができるという利点も得られる。【選択図】  図２
2007036914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下電極の間にZnO及びAlNのいずれかから成る圧電体の薄膜を設けて成る薄膜共振器において、
該圧電体の[0001]方向が薄膜の面に略平行な１方向に配向していることを特徴とする薄膜共振器。
【請求項２】
空洞を有する基板上に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜共振器。
【請求項３】
薄膜共振器の共振周波数と同じ周波数を有する超音波の波長の1/4の厚さを有し音響インピーダンスの異なる２種類の層が交互に積層して成る音響多層膜を一方の面に固定したことを特徴とする請求項１に記載の薄膜共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域信号から特定の周波数の信号を抽出する等のための薄膜共振器に関する。このような薄膜共振器は殆どの通信機器において用いられるが、特に小型且つ高周波において動作可能な共振器が要求される携帯電話機において多く用いられる。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機や無線LAN送信機・受信機等の通信機器には、特定の周波数帯の信号を抽出するためのRFフィルタが用いられている。RFフィルタでは通常、使用される周波数帯内の周波数で共振する共振器が多数使用される。これらの通信機器において使用される周波数帯は数百MHz〜数GHzと高いため、共振器もそのような高周波数に対応する必要がある。
【０００３】
近年、高い共振周波数を実現することができる共振器として、FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）と呼ばれる薄膜共振器が注目されている（特許文献１参照）。FBARは空洞を設けた基板の上に圧電体の薄膜を載置し、その圧電体薄膜を挟むように１対の電極を設けた構造を有する。ここで、基板に空洞を設けるのは、圧電体薄膜が基板に拘束されずに自由に振動できるようにするためである。FBARでは共振周波数が圧電体薄膜の厚さに反比例するため、薄膜の厚さを薄くする程、共振周波数を高くすることができる。実際、FBARを用いた周波数フィルタでは数GHzという高周波数においても良好なフィルタ特性が得られることが確認されている。
【０００４】
また、他の薄膜共振器としてSMR（Solidly Mounted Resonator）が知られている（特許文献２参照）。SMRは、圧電体薄膜を電極で挟んだ共振部の下に、音響インピーダンスの異なる材料から成る高インピーダンス層と低インピーダンス層が交互に積層した音響多層膜を配置した構造を有する。高インピーダンス層及び低インピーダンス層はそれぞれ、共振部の共振周波数と同じ周波数を有する超音波の、その層内における波長の1/4倍の厚さを有する。このような構造を用いれば、圧電体薄膜から基板に向けて放射される音波は各音響多層膜境界で反射され、それら反射波は互いに同位相になり打ち消し合わない。これにより、薄膜共振器の振動が基板に漏れることが抑えられ、振動エネルギーの損失が防止される。また、SMRはFBARと同様に圧電体薄膜を薄くすることにより数GHzという高い共振周波数を得ることができる。
【０００５】
従来のFBAR及びSMRでは、圧電体薄膜に酸化亜鉛（ZnO）又は窒化アルミニウム（AlN）がよく用いられていた。ZnOは他の圧電体よりも電気機械変換効率が高いという利点を有する。一方、AlNは他の圧電体よりも内部を伝播する超音波の音速が速く、共振周波数を高くしやすいという利点を有する。
【０００６】
【特許文献１】特開2001-203558号公報（[0003]〜[0004], 図1）
【特許文献２】特開2004-235886号公報（[0010]〜[0011], 図1）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の薄膜共振器においては、温度により共振周波数が変化するという問題があった。例えば、圧電体にZnOを用いた場合、温度変化による周波数の安定性（周波数温度安定性）を表す値は-62ppm/℃であった。これは、例えば共振周波数が1GHzの場合には薄膜共振器の温度が1℃上昇すると共振周波数が6.2kHz変化することを意味する。この変化をできるだけ抑えることが求められている。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、温度変化による共振周波数の変化を従来よりも抑えることができる薄膜共振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明に係る薄膜共振器は、上下電極の間にZnO及びAlNのいずれかから成る圧電体の薄膜を設けて成る薄膜共振器において、
該圧電体の[0001]方向が薄膜の面に略平行な１方向に配向していることを特徴とする。
【００１０】
ZnO及びAlNは共に、図１に示すように、一般式An+Bn-（nは整数）で表され六方晶であるウルツ鉱構造を有する。ウルツ鉱構造では、An+から成る層（A層）とBn-から成る層（B層）が交互に積層し、B層はその上下にある２枚のA層から等距離の位置よりもc軸の１方向にずれた位置に配置される。即ち、ウルツ鉱構造はc軸方向に極性を有する。本願では、B層に対してA層がずれる方向を[0001]方向と定義する。
【００１１】
本発明の薄膜共振器において、前記圧電体薄膜及び電極から成る共振部の下部に、空洞を有する基板を設けることができる。これによりFBARを構成することができる。
また、本発明の薄膜共振器において、薄膜共振器の共振周波数を有する超音波の波長の1/4の厚さを有し音響インピーダンスの異なる２種類の層が交互に積層して成る音響多層膜を一方の面に固定することができる。これによりSMRを構成することができる。
【発明の実施の形態及び効果】
【００１２】
本発明に係る薄膜共振器は、従来の薄膜共振器と同様に、ZnO及びAlNのいずれかから成る圧電体の薄膜の上下を挟むように電極を配置したものである。本発明の薄膜共振器が従来の薄膜共振器と異なる点は、圧電体薄膜においてZnO又はAlNの[0001]方向が薄膜の面に略平行な１方向に配向している点である。このような圧電体薄膜の上下に交流電界を印加すると、薄膜内にすべり振動が生じる。それにより薄膜内に、薄膜の面に垂直な伝搬方向の横波による定在波が形成される。なお、[0001]方向が薄膜の面に略平行な方向に配向しているが薄膜の面内において１方向に揃っていない圧電体薄膜は、圧電分極が打ち消し合うため、本発明の薄膜共振器に用いることはできない。
【００１３】
従来の薄膜共振器においては、圧電体の配向方向に関しては特に考慮がされていなかった。しかし、実際には、従来の薄膜共振器で用いられていたZnO又はAlNから成る圧電体薄膜は、通常の方法で作製すると自然に面に垂直な方向にc軸が配向するため、この方向に配向したものが用いられていた。この場合、電極間に交流電界を印加すると、圧電体は薄膜の面に垂直な方向に振動し、それにより圧電体薄膜内に縦波の定在波が形成される。それに対して、本発明の薄膜共振器は、共振周波数fr（後述）を有する交流電界が電極間に印加されると、[0001]方向が面に平行な１方向に配向していることにより、圧電体薄膜にすべり振動が生じ、それにより圧電体薄膜内に横波が励振され、定在波が形成される。
【００１４】
圧電体薄膜の材料には特に、ZnOを用いることが望ましい。以下、圧電体薄膜の材料にZnOを用いた薄膜共振器を「ZnO薄膜共振器」と呼ぶ。本願発明者は、従来は困難であった、[0001]方向が薄膜の面内の一方向に配向したZnO薄膜を製造する方法を見出した（特開2004-244716号公報、日本音響学会2004年度秋季研究発表会講演論文集第II分冊1169-1170頁）。この方法を用いれば、本発明の薄膜共振器を容易に製造することができる。
【００１５】
本発明の薄膜共振器はFBAR、SMRのいずれにも適用することができる。いずれも、[0001]方向が薄膜の面に略平行な１方向に配向したZnO又はAlNから成る圧電体薄膜を用いる点を除いて、従来のFBAR及びSMRと同様の構成を有する。また、SMRにおいて、圧電体薄膜の厚さを共振波長の1/2倍とする場合には圧電体薄膜に低インピーダンス層が接するようにし、圧電体薄膜の厚さを共振波長の1/4倍とする場合には圧電体薄膜に高インピーダンス層が接するようにする点も従来のSMRと同様である。
【００１６】
次に、本発明の薄膜共振器により得られる効果を説明する。
(1)周波数温度安定性の向上
前述のように、薄膜共振器の圧電体薄膜の共振周波数は温度により変化する。この温度変化は、縦波共振よりも横波共振の時の方が小さくなる。そのため、圧電体薄膜内に横波を励振するように、[0001]方向が薄膜の面に略平行な１方向に配向した圧電体薄膜を薄膜共振器に用いることにより、共振周波数の温度安定性を向上させることができる。
ここでは、圧電体薄膜にZnOを用いた場合を例として説明する。従来のZnO薄膜共振器では、圧電体薄膜内に縦波を励振するため、ZnOにおける縦波に関係する弾性定数c33の温度係数である-1.23×10-4/℃から、周波数温度安定性は-62ppm/℃となる。それに対して、本発明のZnO薄膜共振器では、圧電体薄膜内に横波を励振するため、横波に関係する弾性定数c44の温度係数である-0.70×10-4/℃から、周波数温度安定性は-35ppm/℃となる。このように、本発明のZnO薄膜共振器は従来のZnO薄膜共振器よりも温度安定性が向上する。
【００１７】
(2)素子の小型化
圧電体薄膜の膜厚をtとすると、定在波の波長λは2tであり、薄膜共振器における共振周波数frは膜厚tと波の速度vを用いてfr=v/λ=v/2tと表される。一般的に縦波よりも横波の方が速度が遅いため、同じ共振周波数frを得る場合、従来の薄膜共振器よりも本発明の薄膜共振器の方が厚さtを小さくすることができる。
また、本発明では以下の理由により薄膜共振器の面積Sも小さくすることができる。薄膜共振器の入力インピーダンスは通常、所定の値（一般に50Ω）に設定される。薄膜共振器は電極間に圧電体（誘電体）を挟んだ構造を有するため、電気的にはコンデンサとなり、共振器としての入力インピーダンスはそのコンデンサの静電容量Cにより定まる。静電容量Cは、誘電体の誘電率ε、面積S及び誘電体薄膜の厚さ（電極間の距離）tを用いて、C=(εS/t)と表される。本発明では上記のように厚さtを従来よりも小さくできることから、静電容量Cを所定の値（インピーダンスでいうと、一般に50Ω）とする時に、面積Sを従来よりも小さくすることができる。
【００１８】
また、従来の薄膜共振器では圧電体薄膜の振動のエネルギーが空気中に漏出することを防ぐため、素子を真空封入する等の対策を採っていた。それに対して、本発明の薄膜共振器では、横波は空気中を伝播しないことから圧電体薄膜から空気へ振動エネルギーが漏れることがない。そのため、真空封入等を行う必要がなく、素子を小型化、簡素化することができる。また、エネルギー効率を高めることもできる。
【実施例】
【００１９】
本発明に係る薄膜共振器の一実施例として、圧電体薄膜の材料にZnOを用いたFBARの例（FBAR１０）を、図２を用いて説明する。シリコンから成るSi基板１１は、その中央にそれを貫通する空洞１２を有する。Si基板１１の上に下部電極１３を設け、その上にZnOから成るZnO薄膜１４を設け、ZnO薄膜１４の上に上部電極１５を設ける。ZnO薄膜１４は、[0001]方向が薄膜の面内の１方向（図２では左右方向）に配向している。下部電極１３及び上部電極１５は銅から成り、その厚さは上部電極が約0.15〜0.4μm、下部電極が約0.5〜1.0μmである。
ZnO薄膜１４の厚さtは約5μmとした。これは、ZnOにおける横波の速度vt=2700m/sと電極膜の影響を考慮して、共振周波数frが195MHzである横波共振が得られるように設計したものである。また、入力インピーダンスが50Ωとなるように、下部電極１３と上部電極１５に挟まれた領域１６の面積は1mm2とした。
【００２０】
図３に圧電体薄膜の材料にZnOを用いた従来のFBARの一例（FBAR２０）を示す。Si基板２１、空洞２２、下部電極２３及び上部電極２５は本実施例のFBAR１０のものと同様である。ZnO薄膜２４は、c軸が薄膜の面に垂直な方向に配向している。従来のFBAR２０において本実施例のFBAR１０と同じ共振周波数及び入力インピーダンスを得るためには、ZnOにおける縦波の速度vl=6100m/sと電極膜の影響を考慮して、ZnO薄膜２４の厚さは13.8μm、下部電極２３と上部電極２５に挟まれた領域２６の面積は2.6mm2とする必要がある。このことから、本実施例のFBAR１０は従来のFBAR２０よりも小型化することができることがわかる。
【００２１】
本実施例のFBAR１０の製造方法を、図４及び図５を用いて説明する。ここではまず、(i)図４を用いてFBAR１０の製造方法の全体の流れを説明した後に、(ii)図５を用いてZnO薄膜１４を作製する方法を説明する。
(i) FBAR１０の製造方法
まず、Si基板１１の表面に、下部電極１３を形成する領域に窓を設けたマスク３１を形成し、その上から下部電極金属を蒸着する（図４(a)）ことにより下部電極１３を作製する。マスク３１を除去した(b)後、Si基板１１及び下部電極１３の上に、(ii)で述べる方法を用いてZnO薄膜１４を作製する(c)。更にその上に、上部電極１５を形成する領域に窓を設けたマスク３２を形成し、その上から上部電極金属を蒸着する(d)ことにより上部電極１５を作製する。マスク３２を除去した(e)後、Si基板１１のうちZnO薄膜１４の中央付近の領域を、Siを選択的にエッチングすることにより空洞１２を形成する(f)。
【００２２】
(ii) ZnO薄膜１４の作製方法（図４(c)の工程）
ZnO薄膜１４は、図５に示すマグネトロンスパッタリング装置４０を用いて作製した。まず、マグネトロンスパッタリング装置４０の構成を説明する。この装置は、成膜室４１の下部にマグネトロン回路４２及び陰極４３を、上部に陽極４４を設けたものである。陽極４４の直下には、陰極４３及び陽極４４の中心を結ぶ線（図中の一点鎖線）から外れた位置に、この線に対して傾斜して基板４８を配置する基板台４５が設けられている。陰極４３の上に、ZnO薄膜１４の原料となるZnOターゲット４６を載置する。また、成膜室４１にアルゴン(Ar)ガス及び酸素(O2)ガスのガス源４７を接続する。
ZnO薄膜１４の作製方法を説明する。図４(b)に示した、Si基板１１の表面に下部電極１３を形成したもの（基板４８）を、下部電極１３が下側になるように基板台４５に取り付ける。成膜室４１内にArガス及びO2ガスを導入し、陰極４３に高周波電力を供給する。これにより成膜室４１内に高周波電磁場が形成され、それによりArガス及びO2ガスが電離して電子を放出する。この電子はZnOターゲット４６近傍の電界及び磁界によりトロイダル曲線を描きながら運動し、これによりZnOターゲット４６の近傍にプラズマが発生してZnOターゲット４６がスパッタされる。スパッタされたZnOは陽極４４に向かう一軸方向の流れ（原料流４９）を形成し、この原料流４９が基板４８の表面に達してZnOがこの表面に堆積する。この時、基板４８を前述のように傾斜して配置したことにより、基板４８にその面に平行な１方向の温度勾配が形成され、それにより[0001]方向が基板に平行な１方向に配向したZnO薄膜１４が形成される。
【００２３】
図６に示すように、図５の装置において基板４８を基板台４５の表面に平行な方向に可動にし、基板４８の表面に、一部の領域のみに窓５２を設けたマスク５１を設けてもよい。この場合、基板４８を前記方向に移動させながらZnO薄膜１４を形成することにより、ZnO薄膜１４の厚さ及び品質を面内で均一にすることができる。
【００２４】
図７に、本発明に係る薄膜共振器の他の実施例として、SMRの一例（SMR７０）を示す。SMR７０は、[0001]方向が面内の１方向に配向したZnO薄膜７４の上下を厚さ0.15μmのアルミニウム薄膜から成る下部電極７３及び上部電極７５で挟んだ構造を有する。共振周波数を1.3GHz、入力インピーダンスを50Ωにするために、ZnO薄膜７４の厚さを1μm、下部電極７３と上部電極７５に挟まれた領域の面積を0.05mm2とした。下部電極７３の下に、SiO2から成る低音響インピーダンス層７６とMoから成る高音響インピーダンス層７７を交互に多数積層した音響多層膜７８を設けた。低音響インピーダンス層７６の厚さは0.98μm、高音響インピーダンス層７７の厚さは0.89μmとした。各層の厚さは、周波数が1.3GHzの超音波の、その層内における波長の1/4の長さに等しい。この音響多層膜７８は従来のSMRで用いられている音響多層膜と同様のものである。音響多層膜７８の下に基板７９を設ける。このような構成により、ZnO薄膜７４の共振のエネルギーが基板７９に漏れて損失となることを防ぐことができる。
【００２５】
図８に、作製した薄膜共振器のアドミタンス特性を測定した結果を示す。ここでは、図４に示した工程において下部電極１３、ZnO薄膜１４及び上部電極１５から成る薄膜共振器を作製した後に基板１１を除去し、空洞を有する基板上にその薄膜共振器を載置して固定したものを用いた。測定の結果、薄膜共振器の電極間に印加した交流電圧の周波数が195MHzである時に共振が観測された。なお、ZnO薄膜１４内に縦波共振が生じた場合には、ZnO薄膜１４の厚さ（5μm）から、周波数460MHzの共振が観測されるはずであるが、図８にはそのような共振は見られない。これらのことから、作製したFBAR１０は、設計通りにZnO薄膜１４内に横波共振が生じた時に得られるべき特性を示していることがわかる。また、周波数195MHzにおけるアドミタンスは0.02S、即ち入力インピーダンスは設計通りの50Ωであった。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ウルツ鉱構造を示す結晶構造図。
【図２】本発明の一実施例のFBARを示す縦断面図。
【図３】従来のFBARの一例を示す縦断面図。
【図４】本実施例のFBARの製造方法を示す縦断面図。
【図５】c軸が面内に配向したZnO薄膜を製造するための装置を示す縦断面図。
【図６】ZnO薄膜製造装置の他の例を示す縦断面図。
【図７】本発明の一実施例のSMRを示す縦断面図。
【図８】本実施例のFBARのアドミタンス特性を測定した結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２７】
１０、２０…FBAR
１１、２１…Si基板
１２、２２…空洞
１３、２３、７３…下部電極
１４、２４、７４…ZnO薄膜
１５、２５、７５…上部電極
３１、３２…マスク
４０…マグネトロンスパッタリング装置
４１…成膜室
４２…マグネトロン回路
４３…陰極
４４…陽極
４５…基板台
４６…ZnOターゲット
４７…ガス源
４８…基板
４９…原料流
５１…マスク
５２…窓
７０…SMR
７６…低音響インピーダンス層
７７…高音響インピーダンス層
７８…音響多層膜
７９…基板
【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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