(57)【要約】  【課題】縦方向の音響漏れを低減するための音響ミラー層における膜浮きや膜剥がれが抑制された薄膜バルク音響共振器を提供する。  【課題手段】支持基板１と、圧電膜５を下部電極４および上部電極６により挟んで形成された振動子２と、第１音響ミラー材料膜７及び第１音響ミラー材料膜よりも音響インピーダンスの高い第２音響ミラー材料膜８を有する音響ミラー層３とを備え、振動子が音響ミラー層を介在させて支持基板上に支持される。音響ミラー層は、第１音響ミラー材料膜、第２音響ミラー材料膜、およびそれらの膜の密着性を向上させる接着膜９を含む音響ミラー単位層３ａを、１層または複数層用いて形成される。【選択図】図１
2007060414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、圧電膜を下部電極および上部電極により挟んで形成された振動子と、第１音響ミラー材料膜及び前記第１音響ミラー材料膜よりも音響インピーダンスの高い第２音響ミラー材料膜を有する音響ミラー層とを備え、前記振動子が前記音響ミラー層を介在させて前記支持基板上に支持された薄膜バルク音響共振器において、
前記音響ミラー層は、前記第１音響ミラー材料膜、第２音響ミラー材料膜、およびそれらの膜の密着性を向上させる接着膜を含む音響ミラー単位層を、１層または複数層用いて形成されたことを特徴とする薄膜バルク音響共振器。
【請求項２】
前記接着膜がＴｉ、Ｃｒ、Ｔｉを含む混合物、もしくはＣｒを含む混合物からなる請求項１に記載の薄膜バルク音響共振器。
【請求項３】
前記接着膜は、厚さが１００ｎｍ以下である請求項１に記載の薄膜バルク音響共振器。
【請求項４】
前記第１音響ミラー材料膜は、Ａｌ、またはＳｉを用いて形成され、前記第２音響ミラー材料膜は、Ａｕ、Ｐｔ、またはＩｒを用いて形成された請求項１に記載の薄膜バルク音響共振器。
【請求項５】
前記第１音響ミラー材料膜は、Ｓｉを用いて形成された請求項４に記載の薄膜バルク音響共振器。
【請求項６】
支持基板上に、音響ミラー層を形成する工程と、
前記音響ミラー層の上に下部電極第１層を形成する工程と、
膜形成用基板上に下部電極第２層を形成する工程と、
前記下部電極第２層の上に圧電膜を形成する工程と、
前記下部電極第１層と前記下部電極第２層が当接するように前記支持基板と前記膜形成用基板とを対向させて、前記下部電極第１層と前記下部電極第２層を接着させる工程と、
膜形成用基板を剥離除去する工程と、
前記圧電膜の上に上部電極を形成する工程とを備え、
前記音響ミラー層は、第１音響ミラー材料膜、前記第１音響ミラー材料膜よりも音響インピーダンスの高い第２音響ミラー材料膜、及びそれらの膜の密着性を向上させる接着膜を含む音響ミラー単位層を、１層または複数層積層して形成することを特徴とする薄膜バルク音響共振器の製造方法。
【請求項７】
前記接着膜として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔｉを含む混合物、もしくはＣｒを含む混合物を用いる請求項６に記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。
【請求項８】
前記接着膜を、厚さが１００ｎｍ以下に形成する請求項６に記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。
【請求項９】
前記第１音響ミラー材料膜を、Ａｌ、またはＳｉを用いて形成し、前記第２音響ミラー材料膜を、Ａｕ、Ｐｔ、またはＩｒを用いて形成する請求項６に記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。
【請求項１０】
前記下部電極第１層と前記下部電極第２層の接着を、熱圧着法または共晶結合法により行う請求項６に記載の薄膜バルク音響共振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電膜を下部電極および上部電極により挟んで形成された振動子を基板上に支持して構成され、圧電体の共振を利用して所望の周波数のみを通過させるフィルタなどに用いられる薄膜バルク音響共振器に関する。特に、主として携帯電話等の高周波を用いた無線通信機器に用いるフィルタに適した薄膜バルク音響共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
端末装置である携帯電話と基地局間の通信に用いられる高周波の周波数は、それぞれの通信方式で規定されている。また、それぞれの通信方式で、基地局から端末装置に送信される高周波の周波数（下りの周波数）と、端末装置から基地局に送信される高周波の周波数（上りの周波数）は異なる。また、端末装置内での信号処理のために、送受信される高周波より低い周波数（これを中間周波数と呼ぶ）に一時変換することも行われる。
【０００３】
一般的に、これらの種々の周波数の高周波を処理する回路の直前には、これら以外の周波数の高周波を除去するフィルタが必要となる。例えば、端末装置において、基地局から送信された高周波を受信するフロントエンドと呼ばれる回路の直前には、下りの周波数以外の周波数の高周波を除去することが必ず必要になる。また、中間周波数に信号を変換した後にも、中間周波数以外の周波数を除去することが必要となる。
【０００４】
以上のように、不要な周波数を除去し、所望の周波数のみを通過するために、電気信号用のフィルタが不可欠である。フィルタに用いられる素子としては、表面弾性波フィルタ（ＳＡＷフィルタ）や、圧電共振器などがある。圧電共振器の動作原理について、図面を参照しながら説明する。
【０００５】
図３は、一般的な圧電共振器を示す断面図である。１０１は圧電膜であり、上部電極１０２と下部電極１０３が付設されて振動子を形成し、基板１０４上に支持されている。基板１０４には、開口部１０５が形成されている。
【０００６】
上部電極１０２と、下部電極１０３に高周波電力を印加すると、圧電膜１０１には高周波の電界が誘起され、圧電膜１０１の圧電性により、電界と同じ周波数の超音波が圧電膜１０１に生じる。誘起された超音波は、通常は圧電膜１０１、上部電極１０２、下部電極１０２、あるいは基板１０４内で減衰する。しかし、圧電膜１０１の厚さが、上部電極１０２の厚さおよび下部電極１０３の厚さに比べて十分大きいと、下式で表される周波数ｆの超音波は、圧電膜１０１の厚さ方向に形成される定在波となり、減衰しない。
【０００７】
ｆ＝ｎＶ／２ｄ
ただし、ｎは１以上の整数、Ｖは圧電膜１０１の厚さ方向の音速である。ｄは、圧電膜１０１、上部電極１０２、および下部電極１０３の厚さの合計である。圧電膜１０１の圧電性により、周波数ｆの超音波が周波数ｆの電界を誘起することになる。したがって、他の周波数に比較して、周波数ｆの高周波のみが、上部電極１０２と下部電極１０３間を容易に通過する。この周波数ｆが共振周波数であり、上部電極１０２と下部電極１０３間のインピーダンスは、共振周波数ｆで最低のピークを持つ。
【０００８】
ここで重要なのは、厚さ方向に超音波を誘起させる部分（これを以後キャビティ部と呼ぶ）は縦方向に振動するので、基板や封止材料により振動を減衰させないようにすることである。図３に示した一般的な圧電共振器では、キャビティ部に対応する上部電極１０２の上部には何も接触させていない。また、キャビティ部に対応する下部電極１０３の下側には開口部１０５が形成されて、基板１０４が薄くなっており、基板１０４による振動の減衰を抑制している。
【０００９】
圧電共振器を製造する際に困難なのは、キャビティ部の下部に接触する部分がない形状に加工することである。図３に示した一般的な圧電共振器では、基板１０４に開口部１０５を形成することで、キャビティ部の下部に接触する部分を排除している。しかし、基板１０４に開口部１０５を形成することは、一般的に容易ではない。基板１０４の下側からエッチングするのが一般的な加工法であるが、基板１０４は通常１００μｍ以上あるために、エッチングに多くの時間を要する。さらに、開口部１０５は、開口寸法が一定になるのが理想であるが、実際には下側の開口寸法が上側の開口寸法に比べて大きくなってしまう。そのような欠点を解決する方法として、基板１０４の上面を、キャビティ部だけ一部凹形に削り、下部電極１０３の下面に空洞を形成する方法もある。
【００１０】
これらの形状で共通するのは、キャビティ部が、キャビティ部の周辺部に支えられて中空に浮く構造となっていることである。そのため、機械的に非常に脆弱であり、応力に対して非常に敏感でかつ壊れやすいものである。従って、製造工程においてキャビティ部が破損しないように考慮する必要があり、工程が複雑になるという欠点がある。
【００１１】
機械的に脆弱であるという欠点を解決するために、例えば、特許文献１には、図４に示すような圧電共振器が記載されている。図４に圧電共振器において、２０１は圧電膜であり、２０２は上部電極、２０３は下部電極である。基板２０７と下部電極２０３の間に、音響ミラー層２０６が挿入されている。音響ミラー層２０６は、第１音響ミラー材料膜２０４と第２音響ミラー材料膜２０５が交互に複数回積層された構造を有する。
【００１２】
第１音響ミラー材料膜２０４と、第２音響ミラー材料膜２０５は、音響インピーダンスが互いに大きく異なるように材料が選択される。すると、第１音響ミラー材料膜２０４と第２音響ミラー材料膜２０５との界面で、音波の反射が起こる。このとき、第１音響ミラー材料膜２０４の厚さと、第２音響ミラー材料膜２０５の厚さで決定される音響ミラー層２０６の周期により、音響ミラー層２０６により反射される音波の周波数が決定される。この周波数を圧電共振器の共振周波数と一致するように設計すれば、圧電共振器のキャビティ部の下部に空洞や開口を設けた場合と同様の効果が得られる。すなわち、圧電共振器に生じた音波エネルギーを下方に拡散させることなく、キャビティ部にエネルギーを閉じ込めることができる。
【００１３】
図４に示す圧電共振器を製造するためには、一般的に、まず初めに下層の構造から製造し、順番に上層の構造へと製造する。すなわち、まず基板２０７の上面に、例えば第２音響ミラー材料膜２０５を積層し、その上面に、第１音響ミラー材料膜２０４を積層する。さらにその上面に第２音響ミラー材料膜２０５と第１音響ミラー材料膜２０４を交互に積層していく。音響ミラー層２０６を形成する最後の音響ミラー材料膜の上面に下部電極２０３を形成し、その上面に圧電膜２０１を積層し、最後にその上面に上部電極２０２を形成する。
【特許文献１】特開平６−２９５１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述の図４に示した圧電共振器の製造方法では、第１音響ミラー材料膜２０４、および第２音響ミラー材料膜２０５を多数積層するために、各膜のストレスに起因した反りが生じる。その結果、膜浮きや、膜はがれといった問題が生じ易い。
【００１５】
本発明は、縦方向の音響漏れを低減するための音響ミラー層を用いた構成を有し、音響ミラー材料膜の膜浮きや膜剥がれが抑制された薄膜バルク音響共振器、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために本発明の薄膜バルク音響共振器は、支持基板と、圧電膜を下部電極および上部電極により挟んで形成された振動子と、第１音響ミラー材料膜及び前記第１音響ミラー材料膜よりも音響インピーダンスの高い第２音響ミラー材料膜を有する音響ミラー層とを備え、前記振動子が前記音響ミラー層を介在させて前記支持基板上に支持される。前記音響ミラー層は、前記第１音響ミラー材料膜、第２音響ミラー材料膜、およびそれらの膜の密着性を向上させる接着膜を含む音響ミラー単位層を、１層または複数層用いて形成される。
【００１７】
本発明の薄膜バルク音響共振器の製造方法は、支持基板上に、音響ミラー層を形成する工程と、前記音響ミラー層の上に下部電極第１層を形成する工程と、膜形成用基板上に下部電極第２層を形成する工程と、前記下部電極第２層の上に圧電膜を形成する工程と、前記下部電極第１層と前記下部電極第２層が当接するように前記支持基板と前記膜形成用基板とを対向させて、前記下部電極第１層と前記下部電極第２層を接着させる工程と、膜形成用基板を剥離除去する工程と、前記圧電膜の上に上部電極を形成する工程とを備える。前記音響ミラー層は、第１音響ミラー材料膜、前記第１音響ミラー材料膜よりも音響インピーダンスの高い第２音響ミラー材料膜、及びそれらの膜の密着性を向上させる接着膜を含む音響ミラー単位層を、１層または複数層積層して形成する。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成の薄膜バルク音響共振器によれば、接着膜により、第１音響ミラー材料膜および第２音響ミラー材料膜の密着性が強化され、膜はがれを抑制することができる。
【００１９】
また上記構成の薄膜バルク音響共振器の製造方法によれば、接着膜により、第１音響ミラー材料膜および第２音響ミラー材料膜の密着性が強化され、膜はがれが抑制された薄膜バルク音響共振器が得られるとともに、音響ミラー層や下部電極の結晶性や平坦性の劣悪さに関係なく、良質な圧電膜を作製するために適した成膜方法を用いることが可能であり、良質な圧電膜を用いて、挿入損失が小さく、周波数選択性の高い薄膜バルク音響共振器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の薄膜バルク音響共振器において、前記接着膜がＴｉ、Ｃｒ、Ｔｉを含む混合物、もしくはＣｒを含む混合物からなることが好ましい。Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔｉを含む混合物、もしくはＣｒを含む混合物は、密着性がよいので、第１及び第２音響ミラー材料膜の密着性向上に効果的である。
【００２１】
前記接着膜は、厚さが１００ｎｍ以下であることが好ましい。それより厚いと、接着膜の音響インピーダンスを考慮に入れる必要が生じ、ミラー層の反射係数に影響を与えるおそれがある。
【００２２】
前記第１音響ミラー材料膜は、Ａｌ、またはＳｉを用いて形成され、前記第２音響ミラー材料膜は、Ａｕ、Ｐｔ、またはＩｒを用いて形成された構成とすることができる。特に、前記第１音響ミラー材料膜は、Ｓｉを用いて形成することが好ましい。
【００２３】
本発明の薄膜バルク音響共振器の製造方法において、前記接着膜として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔｉを含む混合物、もしくはＣｒを含む混合物を用いることが好ましい。
【００２４】
また前記接着膜を、厚さが１００ｎｍ以下に形成することが好ましい。
【００２５】
前記第１音響ミラー材料膜を、Ａｌ、またはＳｉを用いて形成し、前記第２音響ミラー材料膜を、Ａｕ、Ｐｔ、またはＩｒを用いて形成することが好ましい。それにより、音響ミラー層の形成をＥＢ蒸着を用いて行うことができ、製造コストを低く抑えることが可能である。
【００２６】
前記下部電極第１層と前記下部電極第２層の接着を、熱圧着法または共晶結合法により行うことが好ましい。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図中、同じ参照符号を付した構成要素は同一の構成要素である。
【００２８】
図１は、本発明の実施の形態に係る薄膜バルク音響共振器の簡略構成を示す断面図である。この薄膜バルク音響共振器は、支持基板１と、振動子３と、支持基板１と振動子３の間に介在させて形成された音響ミラー層３とからなる。
【００２９】
振動子２は、音響ミラー層３の上面に配置された下部電極４、圧電膜５、および上部電極６の積層体からなる。音響ミラー層３は、音響ミラー単位層３ａが複数積層された構造を有する。音響ミラー単位層３ａは、第１音響ミラー材料膜７、第２音響ミラー材料膜８、および接着膜９が積層された構造を有する。
【００３０】
第１音響ミラー材料膜７の音響インピーダンスは、第２音響ミラー材料膜８の音響インピーダンスよりも小さい。そのための材料として、第１音響ミラー材料膜７は、シリコンが好ましい。シリコンを低インピーダンス材料に使用することが好ましい理由は、固有の音響損失が二酸化シリコンよりも小さく、また、電子ビーム蒸着により一度に多数枚の処理が可能であり、さらに、シリコンが半導体産業で容易に入手可能な材料であるからである。第２音響ミラー材料膜８としては、Ｗ、Ｉｒ、ＡｌＮ、あるいはＭｏ等を用いることができる。
【００３１】
接着膜９は、密着性が良い材料により形成され、第１音響ミラー材料膜７および第２音響ミラー材料膜８の密着性を強化することにより、膜はがれを抑制することができる。接着膜９としては、一般的に密着性がよいことで知られるＴｉ、Ｃｒ、Ｔｉを含む混合物、もしくはＣｒを含む混合物を用いることができる。接着膜９は、厚さを１００ｎｍ以下とする。それより厚いと、接着膜の音響インピーダンスを考慮に入れる必要が生じ、ミラー層の反射係数に影響を与えるおそれがある。
【００３２】
次に、本実施の形態に係る薄膜バルク音響共振器の製造方法について、図２を参照して説明する。図２は、製造方法の工程を示す断面図である。
【００３３】
図２（ａ）に示すように、支持基板１の上面に、音響ミラー層３と、下部電極４の一方の半層である下部電極第１層４ａを形成する。ミラー層３は、第２音響ミラー材料膜８、接着膜９、および第１音響ミラー材料膜７を順次積層して音響ミラー単位層３ａを形成し、音響ミラー単位層３ａをさらに複数積層することにより形成する。このように、従来例の音響ミラー層は、音響インピーダンスの異なる材料を交互に積層したのみであったのに対して、この音響ミラー層３は、さらに接着膜９を加えて積層することにより、第１音響ミラー材料膜７および第２音響ミラー材料膜８の密着性を向上させ、膜剥がれ不良を低減させる。接着膜９の材料としては、ＴｉやＣｒが好ましい。
【００３４】
第２音響ミラー材料膜８、接着膜９、および第１音響ミラー材料膜７のいずれも、
一般的な電子ビーム蒸着によって、形成することができる。それにより、レーザー堆積法や、スパッタリング法に比べて、一括して多数枚処理することが可能であり、製造コストの低減につながる。
【００３５】
また、図２（ｂ）に示すように、膜形成用基板１０の上面に、圧電膜５を形成する。例えば、圧電膜５の材料がＡｌＮの場合、エピタキシャル成長を用いて作製することができる。また、平坦性のよいＭｏなどの金属の上に、スパッタなどの方法でＡｌＮを形成してもよい。圧電膜５の上面に下部電極４の他方の半層である下部電極第１層４ｂを形成する。
【００３６】
その後、図２（ｃ）に示すように、支持基板１と膜形成用基板１０とを、下部電極第１層４ａと下部電極第２層４ｂが当接するように対向させて、下部電極第１層４ａと下部電極第２層４ｂを接着させる。接着の方法としては、熱圧着法を用いることができる。熱圧着法とは、接着時、接着する対象物同士、すなわち下部電極第１層４ａと下部電極第２層４ｂが圧接されるように上下より加圧し、且つ加熱して接着する方法である。この場合、下部電極第１層４ａおよび下部電極第２層４ｂとしては、Ａｕのような軟らかい金属を用いることが好ましい。または、接着する方法として、共晶結合法を用いても良い。共晶結合法とは、接着面の上下の金属層として共晶を形成する金属を採用し、接着時に金属層を共晶点以上に加熱し金属を溶融させて、その後冷却するとき金属どうしを共晶として固化させることで接着する方法である。金属層として、例えば、Ｓｎ−Ｐｂや、Ａｕ−Ｓｎなどを用いることができる。
【００３７】
その後、図２（ｄ）に示すように、膜形成用基板１０を剥離除去し、圧電膜５の上に上部電極６を形成する。
【００３８】
この製造方法を用いれば、音響ミラー層３や下部電極４の結晶性や平坦性の劣悪さに関係なく、良質な圧電膜５を作製するために適した成膜方法を用いることが可能となる。良質な圧電膜５を用いることで、挿入損失が小さく、周波数選択性の高い薄膜バルク音響共振器を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
上記構成の薄膜バルク音響共振器は、縦方向の音響漏れを低減するための音響ミラー層における膜はがれを抑制することができ、特に携帯電話等の高周波を用いた無線通信機器に用いるフィルタに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態における薄膜バルク音響共振器の断面図
【図２】同薄膜バルク音響共振器の製造方法の各工程を示す断面図
【図３】従来例の薄膜バルク音響共振器を示す断面図
【図４】他の従来例の薄膜バルク音響共振器を示す断面図
【符号の説明】
【００４１】
１  支持基板
２  振動子
３  音響ミラー層
３ａ  音響ミラー単位層
４  下部電極
４ａ  下部電極第１層
４ｂ  下部電極第２層
５  圧電膜
６  上部電極
７  第１音響ミラー材料膜
８  第２音響ミラー材料膜
９  接着膜
１０  膜形成用基板
１０１  圧電膜
１０２  上部電極
１０３  下部電極
１０４  基板
１０５  開口部
２０１  圧電膜
２０２  上部電極
２０３  下部電極
２０４  第１音響ミラー材料膜
２０５  第２音響ミラー材料膜
２０６  音響ミラー層
２０７  基板
【図１】
2007060414.tif 000003
【図２】
2007060414.tif 000004
【図３】
2007060414.tif 000005
【図４】
2007060414.tif 000006