(57)【要約】【課題】Ｑ値を向上でき且つ低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能な共振装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】共振装置は、支持基板１の一表面側に第１の導電性薄膜からなる下部電極３１と圧電層３２と第２の導電性薄膜からなる上部電極３３とを有する共振子３を備えている。共振子３は、圧電層３２が円柱状に形成され、下部電極３１および上部電極３３それぞれが、コイルばね状（円錐コイルばね状）のばね形状に形成されている。【選択図】      図１
2009124695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板の一表面側に第１の導電性薄膜からなる下部電極と圧電層と第２の導電性薄膜からなる上部電極との積層構造を有する共振子を備えた共振装置であって、下部電極および上部電極それぞれが、ばね形状に形成されてなることを特徴とする共振装置。
【請求項２】
前記下部電極および前記上部電極は、前記ばね形状がコイルばね状であることを特徴とする請求項１記載の共振装置。
【請求項３】
前記圧電層の圧電材料がＫＮＮであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の共振装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に第１の導電性薄膜からなる下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極形成工程の後で支持基板の前記一表面側の全面に圧電層の基礎となる圧電材料層を形成する圧電材料層形成工程と、圧電材料層上に上部電極の下地となる犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、犠牲層形成工程の後で支持基板の前記一表面側に第２の導電性薄膜からなる上部電極を形成する上部電極形成工程と、上部電極形成工程の後で犠牲層をエッチング除去する犠牲層除去工程と、犠牲層除去工程の後で圧電材料層をパターニングして当該圧電材料層の一部からなる圧電層を形成するパターニング工程とを備えることを特徴とする共振装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下部電極と圧電層と上部電極との積層構造を有する共振子を備えた共振装置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、携帯電話機やＵＷＢ（Ultra  Wide  Band）用機器などの高周波機器の普及と、それらの高性能化・低損失化に対する強いニーズを背景とし、１ＧＨｚ以上の高周波帯で電気機械結合係数が大きく、Ｑ値が高い共振装置として、ＢＡＷ（Bulk  Acoustic  Wave）共振器が注目されている。特に、ＵＷＢ用フィルタでは、広帯域のバンド幅が必要であることから、より大きな電気機械結合係数を有するＢＡＷ共振器の研究開発が各所で行われている。
【０００３】
ここにおいて、ＢＡＷ共振器としては、例えば、図５に示すように、支持基板１’と、支持基板１’の一表面側に形成された音響ミラー２’と、音響ミラー２’上に形成された共振子３’とを備えたＳＭＲ（Solidly  Mounted  Resonator）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここにおいて、音響ミラー２’は、低音響インピーダンス層２１’と高音響インピーダンス層２２’とを交互に積層した積層構造を有し、共振子３’は、下部電極３１’と圧電層３２’と上部電極３３’との積層構造を有し、圧電層３２’の材料としてＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などが用いられている。なお、ＢＡＷ共振器では、共振周波数が圧電層３２’の膜厚に反比例し、圧電層３２’の膜厚を薄くするほど共振周波数を高くすることができる。
【０００４】
上記特許文献１には、ＢＡＷ共振器として、ＳＭＲが記載されているが、ＢＡＷ共振器としては、ＳＭＲの他にＦＢＡＲ（Film  Bulk  Acoustic  Resonator）などが知られている。
【０００５】
ところで、ＢＡＷ共振器の電気機械結合係数は圧電層の圧電材料によって決まるといってもよく、ＰＺＴ、ＰＴＯ、ＰＭＮ、ＰＬＺＴなどの鉛酸化物系の圧電材料が、ＡｌＮやＺｎＯなどの他の一般的な圧電材料に比べて、大きな電気機械結合係数を有することが知られている。また、ＢＡＷ共振器では、圧電層の膜厚を最適化することにより電気機械結合係数を最大化できることが知られている。
【０００６】
また、従来から、ＳＡＷ（Surface  Acoustic  Wave）フィルタの分野において、ＳＡＷ共振器に直列に接続されるインダクタンス要素（例えば、ボンディングワイヤ、マイクロストリップラインなど）を付加することにより、共振周波数付近でのアドミッタンスの極大値と極小値との差が大きくなって、見かけ上の電気機械結合係数が大きくなることが知られており（特許文献２参照）、上記特許文献２に記載のインダクタンス要素を付加する構成を、ＢＡＷ共振器やＢＡＷ共振器を応用したＢＡＷフィルタに適用することが考えられる。
【特許文献１】特開２００５−２６０９６４号公報（段落〔０００２〕−〔０００６〕および図１）
【特許文献２】特許第２８００９０５号公報（段落〔００４４〕−〔００４８〕および図７、並びに請求項５−７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図５に示した構成のＢＡＷ共振器では、圧電層３２’が高いＱ値（機械的品質係数Ｑｍ）を得ることができなかった。また、電気機械結合係数を大きくするために、インダクタンス要素を付加する構成をＢＡＷ共振器やＢＡＷフィルタに適用した場合には、部品点数が増加し、大型化および製造コスト上昇の要因となってしまう。
【０００８】
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、Ｑ値を向上でき且つ低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能な共振装置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】
【０００９】
請求項１の発明は、支持基板の一表面側に第１の導電性薄膜からなる下部電極と圧電層と第２の導電性薄膜からなる上部電極との積層構造を有する共振子を備えた共振装置であって、下部電極および上部電極それぞれが、ばね形状に形成されてなることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、下部電極および上部電極それぞれが、ばね形状に形成されているので、共振子が圧電層の膜厚方向に振動しやすくなりＱ値を向上させることができ、しかも下部電極および上部電極それぞれにインダクタンス成分を持たせることができ、別途にインダクタンス要素を付加する必要がないから、低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能となる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記下部電極および前記上部電極は、前記ばね形状がコイルばね状であることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、前記下部電極および前記上部電極それぞれのインダクタンス成分を大きくでき、電気機械結合係数をより大きくすることが可能となる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記圧電層の圧電材料がＫＮＮであることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、前記圧電層の圧電材料がＡｌＮである場合に比べて電気機械結合係数を大きくでき、ＡｌＮに比べて電気機械結合係数が大きなＰＺＴなどの鉛酸化物系の圧電材料である場合に比べて環境負荷を低減することができる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に第１の導電性薄膜からなる下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極形成工程の後で支持基板の前記一表面側の全面に圧電層の基礎となる圧電材料層を形成する圧電材料層形成工程と、圧電材料層上に上部電極の下地となる犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、犠牲層形成工程の後で支持基板の前記一表面側に第２の導電性薄膜からなる上部電極を形成する上部電極形成工程と、上部電極形成工程の後で犠牲層をエッチング除去する犠牲層除去工程と、犠牲層除去工程の後で圧電材料層をパターニングして当該圧電材料層の一部からなる圧電層を形成するパターニング工程とを備えることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、一般的な半導体製造技術およびマイクロマシニング技術を利用して共振装置を製造することができ、Ｑ値を向上でき且つ低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明では、Ｑ値を向上でき且つ低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能となるという効果がある。
【００１８】
請求項４の発明では、Ｑ値を向上でき且つ低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能な共振装置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】
【００１９】
本実施形態の共振装置は、図１に示すように、支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された共振子３とを備えたＢＡＷ共振器であり、共振子３が、支持基板１の上記一表面側に形成された第１の導電性薄膜（例えば、Ｐｔ膜など）からなる下部電極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第２の導電性薄膜（例えば、Ｐｔ膜など）からなる上部電極３３とで構成されている。また、本実施形態の共振装置は、支持基板１の上記一表面に凹所１ａが形成されており、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側への弾性波エネルギの伝搬を抑制するようにしたＦＢＡＲを構成している。
【００２０】
ここにおいて、本実施形態の共振装置は、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、上記一表面である主表面が（１００）面のＭｇＯ基板を用いているが、支持基板１としては、ＭｇＯ基板に限らず、主表面が（１００）面のＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）基板や主表面が（１００）面で主表面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜が形成されたシリコン基板などを用いてもよい。ここで、本実施形態では、圧電層３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しているので、圧電材料がＡｌＮ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。ただし、圧電層３２の圧電材料は、ＰＺＴに限らず、他の鉛酸化物系の圧電材料（例えば、ＰＺＴ−ＰＭＴや適宜の不純物を添加したＰＺＴなど）などを採用してもよい。また、圧電層３２の圧電材料として、鉛フリーのＫＮＮ（二オブ酸カリウムナトリウム）を採用してもよく、ＫＮＮを採用すれば、圧電材料がＡｌＮ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、しかも、鉛酸化物系の圧電材料を採用する場合に比べて環境負荷を低減できる。ＫＮＮの組成は、ＫｘＮａ１−ｘＮｂＯ３なる化学式で表され、例えば、ｘ＝０．５とすればよいが、この値は一例であって特に限定するものではない。また、ＫＮＮについては、例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕなどの不純物を添加してもよい。
【００２１】
本実施形態では、下部電極３１の材料としてＰｔ、上部電極３３の材料としてＰｔを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではなく、後述の製造方法から明らかなように、圧電層３２の圧電材料がＰＺＴの場合にはフッ酸に対するエッチング耐性を有する金属材料であればよい。
【００２２】
なお、本実施形態の共振装置では、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。
【００２３】
ところで、共振子３の上部電極３３および下部電極３１は、それぞれがコイルばね状（本実施形態では、円錐コイルばね状）のばね形状に形成されている。ここにおいて、上部電極３３と下部電極３１とは平面視において逆向きに巻回されている。なお、上部電極３３および下部電極３１は、円錐コイルばね状に限らず、ばね形状であればよく、例えば、板ばね状でもよいし、線ばね状でもよい。
【００２４】
また、共振子３は、圧電層３２が厚み方向を軸方向とする円柱状に形成されており、下部電極３１および上部電極３３それぞれの中心側の一端部が圧電層３２に結合されている。ここで、下部電極３１の他端部は、支持基板１の上記一表面において凹所１ａの周部上に形成され、上部電極３３の他端部は、支持基板１上に圧電層３２と同じ圧電材料により形成された圧電材料膜３４上のシリコン酸化膜からなる絶縁層４４上に形成されている。要するに、上部電極３３は、支持基板１上の圧電材料膜３４と絶縁層４４との積層膜を介して支持基板１に支持されている。
【００２５】
以上説明した本実施形態の共振装置では、下部電極３１および上部電極３３それぞれが、ばね形状に形成されているので、共振子３が圧電層３２の膜厚方向に振動しやすくなりＱ値を向上させることができ、しかも下部電極３１および上部電極３３それぞれにインダクタンス成分を持たせることができ、別途にインダクタンス要素を付加する必要がないから、低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能となる。また、本実施形態の共振装置では、下部電極３１および上部電極３３それぞれのばね形状がコイルばね状であるので、下部電極３１および上部電極３３それぞれのインダクタンス成分を大きくでき、電気機械結合係数をより大きくすることが可能となる。
【００２６】
以下、本実施形態の共振装置の製造方法について図２〜図４を参照しながら説明するが、図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ａ）〜（ｃ）および図４（ａ），（ｂ）それぞれにおける上側の図は概略平面、下側の図は上側の図のＡ−Ａ’概略断面を示している。
【００２７】
まず、ＭｇＯ基板からなる支持基板１の上記一表面側に所定形状（ここでは、平面コイル状）にパターニングされた第１の導電性薄膜（Ｐｔ膜）からなる下部電極３１を形成する下部電極形成工程を行うことによって、図２（ａ）に示す構造を得る。ここにおいて、下部電極形成工程では、支持基板１の上記一表面側の全面に第１の導電性薄膜をスパッタ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（例えば、イオンミリング技術、反応性イオンエッチング技術など）を利用して第１の導電性薄膜をパターニングすることにより、所定形状の下部電極３１を形成する。なお、第１の導電性薄膜の成膜方法はスパッタ法に限らず、例えばＥＢ蒸着法などを採用してもよい。
【００２８】
下部電極形成工程の後、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ＰＺＴ層からなる圧電材料層３０ａを形成する圧電材料層形成工程を行うことによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。なお、圧電材料層形成工程では、圧電材料層３０ａをスパッタ法により形成しているが、スパッタ法に限らず、例えば、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などにより形成してもよい。また、圧電材料層形成工程では、ＰＺＴ層からなる圧電材料層３０ａの配向を制御するために、ＰＬＴ層やＳＲＯ層などからなるシード層を形成してから圧電材料層３０ａを形成するようにしてもよい。
【００２９】
圧電材料層形成工程の後、圧電材料層３０ａ上に上部電極３３の下地となるシリコン酸化膜からなる犠牲層４を形成する犠牲層形成工程を行うことによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、犠牲層形成工程では、圧電材料層３０ａのうち圧電層３２となる部分を露出させる円形状の開孔部４ａを有する犠牲層４を形成する。この犠牲層４の形成にあたっては、圧電材料層３０ａのうち圧電層３２となる部分の上にレジスト層を形成してから、圧電材料層３０ａの露出部位上およびレジスト層上にシリコン酸化膜をスパッタ法により成膜し、その後、レジスト層およびレジスト層上のシリコン酸化膜を除去している。要するに、犠牲層形成工程では、犠牲層４を、リフトオフ法を利用して形成している。
【００３０】
犠牲層形成工程の後、支持基板１の上記一表面側に所定形状（ここでは、平面コイル状）にパターニングされた第２の導電性薄膜（Ｐｔ膜）からなる上部電極を形成する上部電極形成工程を行うことによって、図３（ａ）に示す構造を得る。ここにおいて、上部電極形成工程では、支持基板１の上記一表面側の全面に第２の導電性薄膜をスパッタ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（例えば、イオンミリング技術、反応性イオンエッチング技術など）を利用して第２の導電性薄膜をパターニングすることにより、所定形状の上部電極３３を形成する。なお、第２の導電性薄膜の成膜方法はスパッタ法に限らず、例えばＥＢ蒸着法などを採用してもよい。
【００３１】
上部電極形成工程の後、犠牲層４および圧電材料層３０ａをパターニングして上述の圧電材料膜３４と絶縁層４４との積層膜を形成するためのマスクとしてのレジスト層５を支持基板１の上記一表面側に形成する積層膜形成用マスク形成工程を行うことによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。
【００３２】
その後、レジスト層５をマスクとして犠牲層４を上述の絶縁層４４となる部分を残してエッチング除去する犠牲層除去工程、レジスト層５をマスクとして圧電材料層３０ａをパターニングしてそれぞれ当該圧電材料層３０ａの一部からなる圧電層３２および圧電材料膜３４を形成するパターニング工程を連続して行い、続いて、レジスト層５を除去するレジスト除去工程を行うことによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、犠牲層除去工程およびパターニング工程では、エッチャントとしてフッ酸を利用しているが、エッチャントは犠牲層４および圧電層３２の材料に応じて適宜選択すればよい。なお、犠牲層除去工程およびパターニング工程を行うことによって、上部電極３３が、当該上部電極３３の内部応力によって、円錐コイルばね状のばね形状となる。
【００３３】
上述のパターニング工程の後、支持基板１の上記一表面に凹所１ａを形成するためのマスクとしてレジスト層６を支持基板１の上記一表面側に形成する凹所形成用マスク形成工程を行うことによって、図４（ａ）に示す構造を得る。
【００３４】
凹所形成用マスク形成工程の後、レジスト層６をマスクとして支持基板１の上記一表面に凹所１ａを形成してからレジスト層６を除去する凹所形成工程を行うことによって、図４（ｂ）に示す構造の共振装置を得る。ここにおいて、凹所１ａを形成する際のエッチャントとしては、燐酸を採用しているが、エッチャントは支持基板１の材料に応じて適宜選択すればよい。なお、凹所形成工程を行うことによって、下部電極３１が、当該下部電極３１の内部応力によって、円錐コイルばね状のばね形状となる。
【００３５】
上述の共振装置の製造方法によれば、一般的な半導体製造技術およびマイクロマシニング技術を利用して共振装置を製造することができ、Ｑ値を向上でき且つ低コストで電気機械結合係数を向上させることが可能な共振装置を提供することができる。
【００３６】
ところで、上述の共振装置を、３ＧＨｚ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用フィルタとして応用する場合には、複数個（例えば、８個）の共振子３を支持基板１の上記一表面側に形成し、これら複数個の共振子３をラダー型フィルタを構成するように接続すれば、ＵＷＢ用フィルタの低コスト化および小型化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施形態の共振装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図２】同上の共振装置の製造方法の説明図である。
【図３】同上の共振装置の製造方法の説明図である。
【図４】同上の共振装置の製造方法の説明図である。
【図５】従来例を示す共振装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  支持基板
１ａ  凹所
３  共振子
４  犠牲層
３０ａ  圧電材料層
３１  下部電極
３２  圧電層
３３  上部電極
【図１】
2009124695.tif 000003
【図２】
2009124695.tif 000004
【図３】
2009124695.tif 000005
【図４】
2009124695.tif 000006
【図５】
2009124695.tif 000007