(57)【要約】【課題】各共振子の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能なＢＡＷフィルタおよびその製造方法を提供する。【解決手段】ＢＡＷフィルタは、支持基板１の一表面側に下部電極３１と上部電極３３との間に圧電層３２を有する複数個の共振子３が形成され、支持基板１に、各共振子３の下部電極３１における支持基板１側の表面を露出させる空洞１ａが形成されている。各共振子３は、支持基板１側に凸となる形で反って形に形成され、下部電極３１における空洞１ａ側の表面３１ａが凸曲面となっている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板の一表面側に下部電極と上部電極との間に圧電層を有する複数個の共振子が形成され、支持基板に、各共振子の下部電極における支持基板側の表面を露出させる空洞が形成されてなるＢＡＷフィルタであって、各共振子が、支持基板側に凸となる形で反って形成され、下部電極における空洞側の表面が凸曲面となっていることを特徴とするＢＡＷフィルタ。
【請求項２】
請求項１記載のＢＡＷフィルタの製造方法であって、支持基板の一部を前記一表面側からエッチングすることにより支持基板の前記一表面に下部電極の凸曲面の形状に応じた凹曲面を形成する凹曲面形成工程と、凹曲面形成工程の後で支持基板の前記一表面側に下部電極が前記凹曲面に接する形で各共振子を形成する共振子形成工程と、共振子形成工程の後で支持基板に空洞を形成する空洞形成工程とを備えることを特徴とするＢＡＷフィルタの製造方法。
【請求項３】
前記凹曲面形成工程と前記共振子形成工程との間に、前記支持基板の前記一表面側にプラズマを照射して前記凹曲面の表面粗さを低減させるプラズマ処理工程を備えることを特徴とする請求項２記載のＢＡＷフィルタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電層の厚み方向の縦振動モードを利用する複数の共振子を備えたＢＡＷ（Bulk  Acoustic  Wave）フィルタおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、携帯電話機などの移動体通信機器の分野において用いる高周波フィルタとして、支持基板の一表面側に下部電極と上部電極との間に圧電層を有する複数個の共振子が形成され、支持基板に、各共振子の下部電極における支持基板側の表面を露出させる空洞が形成されてなるＢＡＷフィルタが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
ここにおいて、上記特許文献１に開示されたＢＡＷフィルタにおける共振子３’は、図５に示すように、支持基板１’の一表面側に形成され下部電極３１’、圧電層３２’、上部電極３３’の積層構造を有しており、支持基板１’の上記一表面に、共振子３’の下部電極３１’を露出させる空洞１ａ’が形成されている。なお、上記特許文献１には、ＢＡＷフィルタの製造方法として、Ｓｉ基板からなる支持基板１’の上記一表面に空洞１ａ’を形成してから、支持基板１’の上記一表面側の全面にＰＳＧ膜を形成し、続いて、当該ＰＳＧ膜を研磨して当該ＰＳＧ膜のうち空洞１ａ’内に残る部分からなる犠牲層を形成し、その後、下部電極３１’、圧電層３２’、上部電極３３’を順次形成し、続いて、犠牲層を除去するようにした製造方法が記載されている。
【０００４】
上記特許文献１に開示されたＢＡＷフィルタでは、圧電層３２’の圧電材料としてＡｌＮなどを採用し、支持基板１’の材料としてＳｉを採用しているが、２ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタ、例えば、ＵＷＢ（Ultra  Wide  Band）用フィルタに応用する場合、圧電層３２’の圧電材料として、帯域幅が中心周波数に対して４〜５％しか広帯域化できないＡｌＮに比べて中心周波数に対して１０％程度の帯域幅を得ることが可能な鉛系圧電材料（例えば、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴなど）を採用し、圧電層３２’の結晶性を向上させるために支持基板１’の材料としてＭｇＯもしくはＳｒＴｉＯ３を採用することが考えられる。
【特許文献１】特開２００２−１４００７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１に開示されたＢＡＷフィルタでは、各共振子３’において圧電層３２’および下部電極３１’がフラットに形成され、下部電極３１’における空洞１ａ’側の表面が平面となっているが、機械的品質係数の値が低く、機械的品質係数の向上が望まれていた。また、上記特許文献１に開示されたＢＡＷフィルタの製造方法では、犠牲層上に形成した下部電極３１’上に圧電層３２’を形成しているので、支持基板１’の材料として圧電層３２’の圧電材料との格子定数差の小さな材料を採用しても圧電層３２’の結晶性が良好であるとはいえず、圧電層３２’の結晶性の改善による機械的品質係数の向上が望まれていた。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、各共振子の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能なＢＡＷフィルタおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、支持基板の一表面側に下部電極と上部電極との間に圧電層を有する複数個の共振子が形成され、支持基板に、各共振子の下部電極における支持基板側の表面を露出させる空洞が形成されてなるＢＡＷフィルタであって、各共振子が、支持基板側に凸となる形で反って形成され、下部電極における空洞側の表面が凸曲面となっていることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、各共振子が、支持基板側に凸となる形で反って形成され、下部電極における空洞側の表面が凸曲面となっていることにより、各共振子がフラットに形成され下部電極における空洞側の表面が平面になっている場合や、各共振子が支持基板側とは反対側に凸となる形で沿って形成され下部電極における空洞側の表面が凹曲面になっている場合に比べて、各共振子の機械的品質係数を向上することができてフィルタ特性の向上が可能となる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載のＢＡＷフィルタの製造方法であって、支持基板の一部を前記一表面側からエッチングすることにより支持基板の前記一表面に下部電極の凸曲面の形状に応じた凹曲面を形成する凹曲面形成工程と、凹曲面形成工程の後で支持基板の前記一表面側に下部電極が前記凹曲面に接する形で各共振子を形成する共振子形成工程と、共振子形成工程の後で支持基板に空洞を形成する空洞形成工程とを備えることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、支持基板の前記一表面に下部電極の凸曲面の形状に応じた凹曲面を形成した後で支持基板の前記一表面側に各共振子を形成し、その後、支持基板に空洞を形成するので、各共振子が、支持基板側に凸となる形で反って形成され、下部電極における空洞側の表面が凸曲面となるから、各共振子の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能なＢＡＷフィルタを提供することができる。また、支持基板の前記一表面側にそれぞれの下部電極が支持基板の凹曲面に接する形で各共振子を形成するので、各下部電極の結晶性を向上できて各圧電層の結晶性を向上できるから、各共振子の機械的品質係数を向上できる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記凹曲面形成工程と前記共振子形成工程との間に、前記支持基板の前記一表面側にプラズマを照射して前記凹曲面の表面粗さを低減させるプラズマ処理工程を備えることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、プラズマ処理工程を行うことで前記下部電極形成前に前記凹曲面の表面粗さを低減することができるので、前記各下部電極の結晶性を向上できて前記各圧電層の結晶性を向上でき、前記各共振子の機械的品質係数のより一層の向上が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明では、各共振子の機械的品質係数を向上することができてフィルタ特性の向上が可能となるという効果がある。
【００１４】
請求項２の発明では、各共振子の機械的品質係数を向上することができてフィルタ特性の向上が可能なＢＡＷフィルタを提供することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施形態１）
本実施形態のＢＡＷフィルタは、図１に示すように、支持基板１の一表面側に下部電極３１と上部電極３３との間に圧電層３２を有する複数個の共振子３が形成され、支持基板１に、各共振子３の下部電極３１における支持基板１側の表面を露出させる空洞１ａが形成されている。ここにおいて、支持基板１の空洞１ａは、当該支持基板１の厚み方向に貫設されている。
【００１６】
また、本実施形態のＢＡＷフィルタは、上述の複数個の共振子３がラダー型フィルタを構成するように接続されており、２ＧＨｚ以上の高周波帯においてカットオフ特性が急峻で且つ帯域幅の広いフィルタ、例えば、ＵＷＢ用フィルタとして用いることができる。
【００１７】
各共振子３は、支持基板１の上記一表面側に形成された下部電極３１と、下部電極３１における支持基板１側とは反対側に形成された圧電層３２と、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に形成された上部電極３３とを有しており、下部電極３１と下部電極３１直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることにより支持基板１側へバルク弾性波のエネルギの伝搬を抑制するようにしてある。要するに、本実施形態の各共振子３は、下部電極３１と下部電極３１直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることにより支持基板１側へのバルク弾性波のエネルギの伝搬を抑制するようにしたＦＢＡＲ（Film  Bulk  Acoustic  Resonator）を構成している。
【００１８】
また、本実施形態のＢＡＷフィルタは、支持基板１の上記一表面側に、平面視において各共振子３を取り囲む絶縁層４が形成されている。
【００１９】
図１に示した例では、下部電極３１同士が電気的に接続された２個１組の共振子３の組を複数組（図示例では、９組）備えており、各組の２個の共振子３では、下部電極３１と圧電層３２とが連続して形成される一方で上部電極３３同士が絶縁分離されるようにパターニングされている。ここにおいて、隣り合う組間では、隣接する２個の共振子３の上部電極３３同士が上部電極３３と連続して形成された金属配線３４を介して電気的に接続されている。また、各組の２個の共振子３に跨って形成された圧電層３２のうち下部電極３１と上部電極３３との両方と接する領域が各共振領域を構成している。
【００２０】
本実施形態のＢＡＷフィルタは、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しており、支持基板１としては、上記一表面である主表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板や、上記一表面である主表面が（００１）面の単結晶ＳＴＯ（：ＳｒＴｉＯ３）基板を用いてもよいし、主表面が（１００）面の単結晶Ｓｉ基板を用いてもよい。
【００２１】
また、本実施形態のＢＡＷフィルタでは、下部電極３１および上部電極３３の金属材料としてＰｔを採用しているが、これらの金属材料は特に限定するものではなく、例えば、Ａｌや他の金属材料を採用してもよく、例えば、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｕの群から選択される少なくとも一種を採用すれば、下部電極３１および上部電極３３それぞれの金属材料が代表的な電極材料であるＡｕの場合に比べて、下部電極３１および上部電極３３それぞれの機械的品質係数を高めることができ、共振子３全体の機械的品質係数を高めることが可能となる。なお、下部電極３１と上部電極３３とは必ずしも同じ金属材料を採用する必要はなく、下部電極３１の金属材料は、圧電層３２の格子歪を抑制するために圧電層３２の圧電材料との格子定数差の小さな金属材料を採用することが望ましい。
【００２２】
また、圧電層３２は、ＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜により構成されている。ここで、図１には図示していないが、下部電極３１と圧電層３２との間に、圧電層３２の配向を制御するためのシード層としてＳＲＯ層を形成することが望ましい。なお、本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しているが、ＰＺＴに限らず、不純物を添加したＰＺＴやＰＭＮ−ＰＺＴなどの鉛系圧電材料であればよく、圧電材料がＡｌＮやＺｎＯである場合に比べて、電気機械結合係数を大きくすることができる。また、圧電層３２の圧電材料は、鉛系圧電材料に限らず、例えば、鉛フリーのＫＮＮ（Ｋ０．５Ｎａ０．５ＮｂＯ３）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ３）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ３）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなど）を添加したものでもよい。
【００２３】
また、絶縁層４の材料としては、ＳｉＯ２を採用しているが、ＳｉＯ２に限らず、例えば、Ｓｉ３Ｎ４を採用してもよい。また、絶縁層４は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、ＳｉＯ２からなる第１の絶縁膜とＳｉ３Ｎ４膜からなる第２の絶縁膜との積層膜でもよい。
【００２４】
なお、本実施形態のＢＡＷフィルタでは、共振子３の共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極３１の厚みを１００ｎｍ、圧電層３２の厚みを３００ｎｍ、上部電極３３の厚みを１００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、共振周波数を３ＧＨｚ〜５ＧＨｚの範囲で設計する場合には、圧電層３２の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で適宜設定すればよい。
【００２５】
ところで、本願発明者らは、各共振子３の機械的品質係数（以下、Ｑ値と称することもある）を改善するために鋭意研究を行い、その結果、図２に示すように１個の共振子３を支持基板１の一表面側において支持基板１側へ凸となる形で反った形状（下に凸）としたＢＡＷ共振器では、下記表１に示すように、１個の共振子３を支持基板１側とは反対側へ凸となる形で反った形状（上に凸）としたＢＡＷ共振器に比べて、略同じ電気機械結合係数（ｋeff）でありながらＱ値を大幅に向上できるという知見を得た。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
そこで、本実施形態のＢＡＷフィルタは、各共振子３を、支持基板１側に凸となる形で反って形に形成し、下部電極３１における空洞１ａ側の表面３１ａを凸曲面としてある。なお、下部電極３１における空洞１ａ側の表面３１ａの曲率半径は３０μｍ〜５００μｍ程度の範囲で適宜設定することが望ましく、曲率半径が小さすぎると、圧電層３２の結晶性が悪くなり、曲率半径が大きすぎると、Ｑ値の改善効果が低くなる。
【００２８】
以下、本実施形態のＢＡＷフィルタの基本となる図２に示す構成のＢＡＷ共振器の製造方法について図３を参照しながら説明する。
【００２９】
まず、上記一表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板からなる支持基板１の上記一表面上に下部電極の凸曲面の形状に応じた凹曲面を形成するためにパターニングされたレジスト層からなるマスク層５をフォトリソグラフィ技術を利用して形成するマスク層形成工程を行うことによって、図３（ａ）に示す構造を得る。
【００３０】
次に、支持基板１の一部を上記一表面側から所定のエッチング液により所定時間だけエッチングすることにより支持基板１の上記一表面に下部電極３１の凸曲面の形状に応じた凹曲面１ｂを形成する凹曲面形成工程を行うことによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。なお、支持基板１として単結晶ＭｇＯ基板を採用している場合には、所定のエッチング液として燐酸酸系溶液（例えば、燐酸水溶液など）を用い、所定時間を２〜３分の範囲で適宜設定すればよい。
【００３１】
その後、マスク層５を除去するマスク層除去工程を行うことによって、図３（ｃ）に示す構造を得てから、支持基板１の上記一表面側に下部電極３１が上記凹曲面１ｂに接する形で共振子３を形成する共振子形成工程を行うことによって、図３（ｄ）に示す構造を得る。ここにおいて、共振子形成工程では、支持基板１の上記一表面側の全面に下部電極３１の基礎となる第１の金属膜（例えば、Ｐｔ膜など）３１ａをスパッタ法やＥＢ蒸着法やＣＶＤ法などにより形成する第１の金属膜形成工程を行い、続いて、支持基板１の上記一表面側の全面に圧電層３２の基礎となるＰＭＮ−ＰＺＴ薄膜からなる圧電材料層３２ａをスパッタ法やＣＶＤ法やゾルゲル法などにより形成する圧電材料層形成工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電材料層３２ａを所望の平面形状にパターニングする圧電材料層パターニング工程を行うことで圧電材料層３２ａの一部からなる圧電層３２を形成する圧電材料層パターニング工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第１の金属膜３１ａをパターニングすることにより第１の金属膜３１ａの一部からなる下部電極３１を形成する第１の金属膜パターニング工程を行い、更にその後、支持基板１の上記一表面の全面に例えばＳｉＯ２からなる絶縁層４をスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成してからフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して絶縁層４に開孔部４ａを形成する絶縁層形成工程を行い、その後、支持基板１の上記一表面側の全面に上部電極３３の基礎となる第２の金属膜（例えば、Ｐｔ膜など）をスパッタ法やＥＢ蒸着法やＣＶＤ法などにより形成する第２の金属膜形成工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第２の金属膜をパターニングすることにより第２の金属膜の一部からなる上部電極３３を形成する第２の金属膜パターニング工程を行う。なお、第１の金属膜形成工程と圧電材料層形成工程との間に、圧電材料層３２ａの配向を制御するためのシード層としてＳＲＯ層を形成するシード層形成工程を設けることが望ましい。また、絶縁層形成工程では、開孔部４ａの形成予定領域にレジスト層を形成してから絶縁層４をスパッタ法などにより成膜してレジスト層および当該レジスト層上の絶縁層４を除去するリフトオフを行うことにより開孔部４ａを有する絶縁層４を形成するようにしてもよい。
【００３２】
上述の共振子形成工程の後、支持基板１に空洞１ａを形成する空洞形成工程を行うことによって、図３（ｅ）に示す構造のＢＡＷ共振器を得る。
【００３３】
上述のＢＡＷ共振器の製造にあたっては、上述の支持基板１としてウェハを用いてウェハレベルで多数のＢＡＷ共振器を形成した後、ダイシング工程で個々のＢＡＷ共振器に分割すればよい。ところで、本実施形態のＢＡＷフィルタの製造にあたっては、上述のＢＡＷ共振器の製造方法に準じて製造すればよく、例えば、上述の凹曲面形成工程において上記各組の２個の共振子３に対応する部位ごとに凹曲面１ｂを形成するようにし、共振子形成工程において各凹曲面１ｂごとに各組の２個の共振子３の下部電極３１が接する形で各共振子３を形成するようにし、空洞形成工程において各組の２個の共振子３ごとに支持基板１に空洞１ａを形成するようにすればよい。この場合、空洞１ａを各共振子３ごとに１つずつ形成する場合に比べて、ＢＡＷフィルタ全体の小型化を図れる。
【００３４】
以上説明した本実施形態のＢＡＷフィルタは、各共振子３が、支持基板１側に凸となる形で反って形成され、下部電極３１における空洞１ａ側の表面３１ａが凸曲面となっていることにより、各共振子３がフラットに形成され下部電極３１における空洞１ａ側の表面が平面になっている場合や、各共振子３が支持基板１側とは反対側に凸となる形で沿って形成され下部電極３１における空洞１ａ側の表面３１ａが凹曲面になっている場合に比べて、各共振子３の機械的品質係数を向上することができてフィルタ特性の向上が可能となる。
【００３５】
また、上述のＢＡＷフィルタの製造方法によれば、支持基板１の上記一表面に下部電極３１の空洞１ａ側の表面３１ａである凸曲面の形状に応じた凹曲面１ｂを形成した後で支持基板１の上記一表面側に各共振子３を形成し、その後、支持基板１に空洞１ａを形成するので、各共振子３が、支持基板１側に凸となる形で反って形成され、下部電極３１における空洞１ａ側の表面が凸曲面となるから、各共振子３の機械的品質係数を向上できてフィルタ特性を向上可能なＢＡＷフィルタを提供することができる。また、支持基板１の上記一表面側にそれぞれの下部電極３１が支持基板１の凹曲面１ｂに接する形で各共振子３を形成するので、下部電極３１の結晶性を向上できて圧電層３２の結晶性を向上できるから、各共振子３の機械的品質係数を向上でき、しかも、各共振子３の形状ばらつきを低減できてフィルタ特性のばらつきを低減できるとともに歩留まりの向上を図れる。
【００３６】
また、上述の製造方法において、凹曲面形成工程と共振子形成工程との間に、支持基板１の上記一表面側にプラズマ（例えば、ＡｒのＲＦプラズマ）を照射して凹曲面１ｂの表面粗さを低減させるプラズマ処理工程（逆スパッタ処理）を行うようにすれば、プラズマ処理工程を行うことで下部電極３１形成前に凹曲面１ｂの表面粗さを低減することができるので、各下部電極３１の結晶性を向上できて各圧電層３２の結晶性を向上でき、各共振子３の機械的品質係数のより一層の向上が可能となる。
【００３７】
（実施形態２）
本実施形態のＢＡＷフィルタの基本構成は実施形態１と略同じであり、実施形態１では空洞１ａが支持基板１の厚み方向に貫設されていたのに対して、図４に示すように、支持基板１の上記一表面に、空洞１ａが形成されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００３８】
本実施形態のＢＡＷフィルタの製造方法は実施形態１と略同じであり、共振子形成工程と空洞形成工程との間に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して絶縁層４の適宜部位に空洞１ａ形成用のエッチング液（例えば、燐酸など）を導入するためのエッチングホール（図示せず）を形成するエッチングホール形成工程を行うようにし、空洞形成工程では各エッチングホールを通してエッチング液を導入し支持基板１をエッチングすることで支持基板１の上記一表面に空洞１ａを形成するようにしている点が相違するだけである。なお、エッチングホールの数やレイアウトは、共振子３の配置に応じて適宜設定すればよい。
【００３９】
以上説明した本実施形態のＢＡＷフィルタは、実施形態１と同様に、各共振子３が、支持基板１側に凸となる形で反って形成され、下部電極３１における空洞１ａ側の表面３１ａが凸曲面となっているので、各共振子３がフラットに形成され下部電極３１における空洞１ａ側の表面が平面になっている場合や、各共振子３が支持基板１側とは反対側に凸となる形で沿って形成され下部電極３１における空洞１ａ側の表面３１ａが凹曲面になっている場合に比べて、各共振子３の機械的品質係数を向上することができてフィルタ特性の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施形態１のＢＡＷフィルタを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は要部概略平面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図２】同上の基本となるＢＡＷ共振器の概略断面図である。
【図３】同上のＢＡＷ共振器の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図４】実施形態２のＢＡＷフィルタを示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図５】従来例を示すＢＡＷフィルタの要部概略断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  支持基板
１ａ  空洞
１ｂ  凹曲面
３  共振子
４  絶縁層
３１  下部電極
３１ａ  表面
３２  圧電層
３３  上部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009290366.tif 000006
【図４】
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【図５】
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