(57)【要約】【課題】電気機械結合係数を大きくすることが可能な共振装置を提供する。【解決手段】共振装置は、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の上記一表面側において音響ミラー２上に形成された下部電極（主電極）３１と、下部電極３１上に形成された圧電層３２と、圧電層３２上に形成され下部電極３１と対をなす上部電極（主電極）３３と、支持基板１の厚み方向に直交する方向において圧電層３２を挟む形で形成された一対の補助電極３４，３５とを備えている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、支持基板の一表面側に形成された共振子とを備え、共振子は、支持基板の前記一表面側で支持基板の厚み方向において圧電層を挟む形で形成された一対の主電極と、前記厚み方向に直交する方向において圧電層を挟む形で形成された少なくとも一対の補助電極とを有することを特徴とする共振装置。
【請求項２】
共振子は、圧電層の形状が直方体状であり、一対の補助電極の組を２組有し、補助電極が圧電層の４つの側面に１つずつ配置されてなることを特徴とする請求項１記載の共振装置。
【請求項３】
共振子は、各主電極および各補助電極それぞれが圧電層において接する各面の略全面に形成されてな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】
共振子は、対をなす補助電極間の圧電層の寸法を、当該対をなす補助電極間の圧電層の振動が高次モードの振動となるように設定してあることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の共振装置。
【請求項５】
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ないし請求項４のいずれか１項に記載の共振装置。
【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、携帯電話機などの移動体通信機器の分野において、１ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタに適用可能な共振装置として、図６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ＢＡＷ共振器が提案されている（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。
【０００３】
上記特許文献１には、ＢＡＷ共振器として、ＳＭＲ（Solidly  Mounted  Resonator）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。
【０００４】
なお、上述の共振装置をＵＷＢ（Ultra  Wide  Band）用フィルタに応用する場合、圧電層３２’の材料（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に比べて電気機械結合係数が大きくて、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ＰＺＴなどの鉛系圧電材料を採用することが考えられる。
【特許文献１】特開２００５−２６０９６４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、図６に示した構成の共振装置では、共振子３’の圧電層３２’が上部電極３３’よりも広い範囲の全領域に亘って均質（一様）に形成されており、圧電層３２’のうち下部電極３１’と上部電極３３’との両方に接している共振領域が当該圧電層３２’における共振領域の周囲の領域に拘束されているので、圧電層３２’のポアソン比が小さくなり、電気機械結合係数が小さくなってしまう。
【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、電気機械結合係数を大きくすることが可能な共振装置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、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された共振子とを備え、共振子は、支持基板の前記一表面側で支持基板の厚み方向において圧電層を挟む形で形成された一対の主電極と、前記厚み方向に直交する方向において圧電層を挟む形で形成された少なくとも一対の補助電極とを有することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、共振子が、支持基板の一表面側で支持基板の厚み方向において圧電層を挟む形で形成された一対の主電極と、前記厚み方向に直交する方向において圧電層を挟む形で形成された少なくとも一対の補助電極とを有しているので、補助電極間の圧電層の振動が主電極間の圧電層の振動とは逆位相の振動となることによって、主電極間の圧電層の振動が補助されるから、ポアソン比が大きくなり、電気機械結合係数を大きくすることが可能となる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、共振子は、圧電層の形状が直方体状であり、一対の補助電極の組を２組有し、補助電極が圧電層の４つの側面に１つずつ配置されてなることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、各対をなす補助電極間の圧電層の振動がそれぞれ主電極間の圧電層の振動とは逆位相の振動となることによって、主電極間の圧電層の振動が補助されるから、電気機械結合係数を大きくすることが可能となる。
【００１１】
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、共振子は、各主電極および各補助電極それぞれが圧電層において接する各面の略全面に形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、主電極間の圧電層の振動が面内で略均一になるとともに補助電極間の圧電層の振動が面内で略均一になるので、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４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、共振子は、対をなす補助電極間の圧電層の寸法を、当該対をなす補助電極間の圧電層の振動が高次モードの振動となるように設定してあることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、共振子の対をなす補助電極間の圧電層の寸法を、当該対をなす補助電極間の圧電層の振動が高次モードの振動となるように設定してあるので、製造が容易になる。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、圧電層の圧電材料がＫＮＮであることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、圧電層の圧電材料が鉛系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。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明では、電気機械結合係数を大きくすることが可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施形態１）
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音響ミラー（音響多層膜）２と、音響ミラー２上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の上記一表面側において音響ミラー２上に形成された下部電極（主電極）３１と、下部電極３１上に形成された圧電層３２と、圧電層３２上に形成され下部電極３１と対をなす上部電極（主電極）３３と、支持基板１の厚み方向（図１（ａ）における上下方向）に直交する方向（図１（ａ）における左右方向）において圧電層３２を挟む形で形成された一対の補助電極３４，３５とを備えている。ここで、共振子３は、圧電層３２の形状が直方体状であり、下部電極３１、上部電極３３、および各補助電極３４，３５それぞれが圧電層３２において接する各面の略全面に短絡しないように形成されている。なお、本実施形態では、下部電極３１と上部電極３３との対が支持基板１の厚み方向において圧電層３２を挟む形で形成された一対の主電極を構成している。また、本実施形態のＢＡＷ共振器は、ＳＭＲを構成している。
【００１９】
本実施形態の共振装置は、圧電層３２の圧電材料として鉛系圧電材料の一種である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）面の単結晶のシリコン基板を用いているが、支持基板１としては、シリコン基板に限らず、主表面が（１００）面のＭｇＯ基板や、主表面が（１００）面のＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）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、共振子３に要求される共振特性などに応じて、他の鉛系圧電材料（例えば、ＰＺＴ−ＰＭＴや適宜の不純物を添加したＰＺＴなど）や、ＡｌＮ、ＺｎＯ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、鉛系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。
【００２０】
音響ミラー２は、相対的に音響インピーダンスの低い材料からなる低音響インピーダンス層２１と相対的に音響インピーダンスの高い材料からなる高音響インピーダンス層２２とが交互に積層されており、上述の下部電極３１は、最上層の低音響インピーダンス層２１上に形成されている。なお、低音響インピーダンス層２１および高音響インピーダンス層２２それぞれの膜厚は、圧電層３２の共振周波数の弾性波（バルク弾性波）の波長の４分の１の値に設定すればよい。
【００２１】
また、音響ミラー２は、低音響インピーダンス層２１の材料としてＳｉＯ２、高音響インピーダンス層２２の材料としてＷ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、低音響インピーダンス層２１の材料としては、例えば、Ｓｉ，ｐｏｌｙ−Ｓｉ，Ａｌ，ポリマーなどを採用してもよく、高音響インピーダンス層２２の材料としては、例えば、Ａｕ，Ｍｏ，ＡｌＮ，ＺｎＯなどを採用してもよい。
【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の厚さを１００ｎｍ、圧電層３２の厚さを３００ｎｍ、上部電極３３の厚さを１００ｎｍ、低音響インピーダンス層２１の厚さを４００ｎｍ、高音響インピーダンス層２２の厚さを３５０ｎｍ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の厚さは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で、低音響インピーダンス層２１の厚さは２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、高音響インピーダンス層２２の厚さは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。
【００２３】
また、共振子３は、下部電極３１の材料としてＰｔ、上部電極３３の材料としてＡｌ、各補助電極３４，３５の材料としてＡｌ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、下部電極３１の材料としては、例えば、Ｍｏ，Ｗ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｔなどの１種あるいは複数を採用してもよく、上部電極３３の材料としては、例えば、Ｍｏ，Ｐｔ，Ｗ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｒｕなどの１種あるいは複数を採用してもよく、各補助電極３４，３５の材料としては、例えば、Ｍｏ，Ｐｔ，Ｗ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｒｕなどの１種あるいは複数を採用してもよい。
【００２４】
以上説明した本実施形態の共振装置によれば、共振子３が、支持基板１の上記一表面側で支持基板１の厚み方向において圧電層３２を挟む形で形成された一対の主電極３１，３３と、上記厚み方向に直交する方向において圧電層３２を挟む形で形成された一対の補助電極３４，３５とを有しているので、補助電極３４，３５間の圧電層３２の振動が主電極３１，３３間の圧電層３２の振動とは逆位相の振動となることによって、主電極３１，３３間の圧電層３２の振動が補助されるから、電気機械結合係数を大きくすることが可能となる。ここで、圧電層３２の状態変化を模式的に表すと、図２（ａ）〜（ｄ）のようになり、同図（ｂ）は同図（ａ）の伸縮していない状態から、厚み方向に伸びが生じる一方で当該厚み方向に直交する方向に縮みが生じた状態を示し（同図（ｂ）中の矢印は圧電層３２の伸縮方向を示している）、同図（ｃ）は同図（ｂ）の状態から圧電層３２が元に戻った状態を示し、同図（ｄ）は同図（ｃ）の状態から、上記厚み方向に縮みが生じる一方で当該厚み方向に直交する方向に伸びが生じた状態を示している（同図（ｄ）中の矢印は圧電層３２の伸縮方向を示している）。
【００２５】
また、本実施形態の共振装置によれば、共振子３は、各主電極３１，３３および各補助電極３４，３５それぞれが圧電層３２において接する各面の略全面に形成されているので、主電極３１，３３間の圧電層３２の振動が面内で略均一になるとともに補助電極３４，３５間の圧電層３２の振動が面内で略均一になるので、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】
また、本実施形態の共振装置では、対をなす補助電極３４，３５間の圧電層３２の寸法を、当該対をなす補助電極３４，３５間の圧電層３２の振動が高次モードの振動となるように設定することにより、製造が容易になる。
【００２７】
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（音響ミラー２上に形成し）、これら複数個の共振子３を図３に示すような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。
【００２８】
（実施形態２）
本実施形態の共振装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図４に示すように、共振子３が、実施形態１にて説明した一対の補助電極３４，３５の組とは別に、さらに、一対の補助電極３６，３７の組を有しており、補助電極３４，３５，３６，３７が圧電層３２の４つの側面に１つずつ配置されている点が相違する。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省略する。
【００２９】
しかして、本実施形態の共振装置では、対をなす補助電極３４，３５間、補助電極３６，３７間の圧電層３２の振動がそれぞれ主電極３１，３３間（下部電極３１・上部電極３３間）の圧電層３２の振動とは逆位相の振動となることによって、主電極３１，３３間の圧電層３２の振動が補助されるから、電気機械結合係数を大きくすることが可能となる。
【００３０】
（実施形態３）
本実施形態の共振装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図５に示すように、支持基板１の一表面側に実施形態１にて説明した音響ミラー２（図１（ａ）参照）を設けずに、支持基板１に、下部電極（主電極）３１における圧電層３２側とは反対側の表面を露出させる開孔部１ａが形成されている点が相違するだけである。要するに、本実施形態の共振装置は、下部電極３１と下部電極３１直下の媒質（例えば、空気、真空中の媒質など）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。
【００３１】
なお、本実施形態の共振装置も実施形態１と同様にＵＷＢ用フィルタとして応用することができ、支持基板１として例えばシリコン基板などの半導体基板を用いる場合には、当該シリコン基板からなる支持基板１の上記一表面側にシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成してから下部電極３１を形成するようにすればよい。また、実施形態２の共振装置においても、音響ミラー２を設けず、支持基板１に、下部電極３１における圧電層３２側とは反対側の表面を露出させる開孔部１ａを設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施形態１の共振装置を示し、（ａ）は要部概略縦断面図、（ｂ）は要部概略横断面図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上の共振装置を応用したＵＷＢ用フィルタの回路図である。
【図４】実施形態２の共振装置を示し、（ａ）は要部概略縦断面図、（ｂ）は概略横断面図である。
【図５】実施形態３の共振装置の要部概略縦断面図である。
【図６】従来例を示す共振装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  支持基板
２  音響ミラー
３  共振子
３１  下部電極（主電極）
３２  圧電層
３３  上部電極（主電極）
３４  補助電極
３５  補助電極
３６  補助電極
３７  補助電極
【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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