(57)【要約】【課題】Ｑ値を向上させ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とを備える。圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に当該圧電層３２のうち上部電極３３に接する共振領域３２ａの面積を規定する開孔部４ａを有する絶縁膜４が形成され、上部電極３３が圧電層３２の共振領域３２ａ上と絶縁膜４上とに跨って形成され、上部電極３３のうち絶縁膜４上に形成されて共振領域３２ａの周囲領域に重なる周囲電極部分３３ｂに他の部位に比べてばね定数の小さな撓み領域３３ｄが形成されている。【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下部電極と、下部電極における支持基板側とは反対側に形成された圧電層と、圧電層における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備えた共振装置であって、圧電層における下部電極側とは反対側に当該圧電層のうち上部電極に接する共振領域の面積を規定する開孔部を有する絶縁膜が形成され、上部電極が圧電層の共振領域上と絶縁膜上とに跨って形成され、上部電極のうち絶縁膜上に形成されて共振領域の周囲領域に重なる周囲電極部分に他の部位に比べてばね定数の小さな撓み領域が形成されてなることを特徴とする共振装置。
【請求項２】
前記撓み領域は、前記上部電極の前記周囲電極部分に凹溝を設けることにより形成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】
前記撓み領域は、断面コルゲート板状に形成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４】
前記撓み領域は、平面視形状がつづら折れ状に形成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５】
前記上部電極の撓み領域である第１の撓み領域とは別に、前記下部電極のうち前記共振領域の周囲領域に重なる部分に他の部位に比べてばね定数の小さな第２の撓み領域が形成されてな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。
【請求項６】
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ないし請求項５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、３ＧＨｚ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、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された音響ミラーと、音響ミラー上に形成された共振子とを備えた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、音響ミラーは、低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とを交互に積層した積層構造を有し、共振子は、下部電極と圧電層と上部電極との積層構造を有し、圧電層の材料として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の膜厚に反比例し、圧電層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に比べて中心周波数に対して１０％程度の帯域幅を得ることが可能で且つ電気機械結合係数が大きなＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系材料を採用することが考えられ、また、ＰＺＴに比べて環境負荷の低減を図れる鉛フリーのＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）を採用することが考えられる。
【０００５】
ここにおいて、圧電層の圧電材料としてＰＺＴやＫＮＮを採用した共振装置では、ＰＺＴやＫＮＮの誘電率がＡｌＮの誘電率に比べて大きく、インピーダンス設計が難しいので、インピーダンス整合および加工精度の制約から、図９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上に形成され下部電極３１と圧電層３２と上部電極３３との積層構造を有する共振子３とを備えた構成において、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に当該圧電層３２のうち上部電極３３に接する共振領域３２ａの面積を規定する開孔部４ａを有する絶縁膜４を形成して共振領域３２ａを狭めることが考えられている（公知文献にかかるものではない）。
【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】
【０００６】
しかしながら、図９に示した構成の共振装置では、上部電極３３が圧電層３２の共振領域３２ａ上と絶縁膜４上とに跨って形成され、上部電極３３のうち圧電層３２の共振領域３２ａ上に形成された中央電極部分３３ａと、上部電極３３のうち絶縁膜４上に形成されて共振領域３２ａの周囲領域に重なる周囲電極部分３３ｂとが同じ厚さで形成され、また、下部電極３１が圧電層３２の共振領域３２ａよりも大きな平面サイズに形成されているので、図１０（ａ），（ｂ）の矢印で示すように圧電層３２の共振領域３２ａが厚み方向に振動する際に上部電極３３の周囲電極部分３３ｂおよび下部電極３１のうち共振領域３２ａの周囲領域に重なる周囲電極部分３１ｂにより振動を抑制する方向に応力が働くため、Ｑ値（機械的品質係数Ｑｍ）が下がってしまう。
【０００７】
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値を向上させ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】
【０００８】
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下部電極と、下部電極における支持基板側とは反対側に形成された圧電層と、圧電層における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備えた共振装置であって、圧電層における下部電極側とは反対側に当該圧電層のうち上部電極に接する共振領域の面積を規定する開孔部を有する絶縁膜が形成され、上部電極が圧電層の共振領域上と絶縁膜上とに跨って形成され、上部電極のうち絶縁膜上に形成されて共振領域の周囲領域に重なる周囲電極部分に他の部位に比べてばね定数の小さな撓み領域が形成されてなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、圧電層における下部電極側とは反対側に当該圧電層のうち上部電極に接する共振領域の面積を規定する開孔部を有する絶縁膜が形成され、上部電極が圧電層の共振領域上と絶縁膜上とに跨って形成され、上部電極のうち絶縁膜上に形成されて共振領域の周囲領域に重なる周囲電極部分に他の部位に比べてばね定数の小さな撓み領域が形成されているので、上部電極のうち共振領域上に形成されている部分が膜厚方向に振動しやすくなり、Ｑ値を向上させることが可能となる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記撓み領域は、前記上部電極の前記周囲電極部分に凹溝を設けることにより形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記上部電極の前記周囲電極部分に凹溝を設けることにより前記撓み領域を形成することができるので、前記撓み領域をエッチングにより容易に形成することができる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記撓み領域は、断面コルゲート板状に形成されてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記撓み領域が断面コルゲート板状に形成されているので、請求項２の発明に比べて前記撓み領域のばね定数を小さくすることが可能となる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記撓み領域は、平面視形状がつづら折れ状に形成されてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記撓み領域の平面視形状がつづら折れ状に形成されているので、請求項２，３の発明に比べて、前記撓み領域が細長くなり、前記撓み領域のばね定数を小さくすることが可能となる。
【００１６】
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、前記上部電極の撓み領域である第１の撓み領域とは別に、前記下部電極のうち前記共振領域の周囲領域に重なる部分に他の部位に比べてばね定数の小さな第２の撓み領域が形成されてなることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、前記上部電極の撓み領域である第１の撓み領域とは別に、前記下部電極のうち前記共振領域の周囲領域に重なる部分に他の部位に比べてばね定数の小さな第２の撓み領域が形成されていることにより、前記下部電極のうち前記共振領域の周囲領域に重なる部分が膜厚方向に振動しやすくなり、Ｑ値をより向上させることが可能となる。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５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。
【００１９】
この発明によれば、前記圧電層の圧電材料がＰＺＴ系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】
【００２０】
請求項１の発明では、Ｑ値を向上させることが可能と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】
【００２１】
（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が音響ミラー２上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とで構成されている。また、本実施形態の共振装置は、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に当該圧電層３２のうち上部電極３３に接する共振領域３２ａの面積を規定する開孔部４ａを有する絶縁膜４が形成され、上部電極３３が圧電層３２の共振領域３２ａ上と絶縁膜４上とに跨って形成され、上部電極３３のうち絶縁膜４上に形成されて共振領域３２ａの周囲領域に重なる周囲電極部分３３ｂに他の部位に比べてばね定数の小さな撓み領域３３ｄが形成されている。なお、本実施形態のＢＡＷ共振器は、ＳＭＲを構成している。
【００２２】
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。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。
【００２３】
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における共振領域３２ａ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。
【００２４】
本実施形態では、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、下部電極３１の材料としてＰｔ、上部電極３３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、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く、下部電極３１の材料としては、例えば、Ｉｒ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などを採用してもよい。また、絶縁膜４の材料として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。
【００２５】
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、低音響インピーダンス層２１の厚みを４００ｎｍ、高音響インピーダンス層２２の厚みを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の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で、低音響インピーダンス層２１の厚みは２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、高音響インピーダンス層２２の厚みは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。
【００２６】
ところで、本実施形態の共振装置は、上述のように、上部電極３３のうち絶縁膜４上に形成されて共振領域３２ａの周囲領域に重なる周囲電極部分３３ｂに他の部位に比べてばね定数の小さな撓み領域３３ｄが形成されている。ここで、周囲電極部分３３ｂは、上部電極３３のうち共振領域３２ａに接する中央電極部分３３ａを平面視において全周に亘って囲むように形成されており、撓み領域３３ｄは、周囲電極部分３３ｂに凹溝３３ｃを設けることにより形成されているので、エッチングにより容易に形成することができる。
【００２７】
なお、本実施形態の共振装置の製造方法にあたっては、例えば、単結晶のシリコン基板からなる支持基板１の上記一表面側にＳｉＯ２膜からなる低音響インピーダンス層２１とＷ膜からなる高音響インピーダンス層２２とを例えばスパッタ法やＣＶＤ法などにより交互に成膜することで音響ミラー２を形成する音響ミラー形成工程を行い、その後、音響ミラー２上（支持基板１と音響ミラー２とからなるベース基板上）に、下部電極３１を例えばスパッタ法や蒸着法などにより形成する下部電極形工程を行い、その後、下部電極３１上に圧電層３２を、例えば、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより形成する圧電層形成工程を行い、その後、圧電層３２上に共振領域３２ａに対応する部位に開孔部４ａを有する絶縁膜４を形成する絶縁膜形成工程を行い、その後、共振領域３２ａの表面と絶縁膜４の表面とに跨る上部電極３３を形成する上部電極形成工程を行い、その後、撓み部３３ｄを形成する撓み部形成工程を行えばよい。
【００２８】
以上説明した本実施形態の共振装置では、圧電層３２における下部電極３１側とは反対側に当該圧電層３２のうち上部電極３３に接する共振領域３２ａの面積を規定する開孔部４ａを有する絶縁膜４が形成され、上部電極３３が圧電層３２の共振領域３２ａ上と絶縁膜４上とに跨って形成されているので、圧電層３２の圧電材料として、ＡｌＮに比べて電気機械結合係数が大きな鉛系圧電材料であるＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴなどのＰＺＴ系材料を採用しながらも、インピーダンス整合が容易になり、上部電極３３のうち絶縁膜４上に形成されて共振領域３２ａの周囲領域に重なる周囲電極部分３３ｂに他の部位に比べてばね定数の小さな撓み領域３３ｄが形成されているので、図２（ａ），（ｂ）に示すように上部電極３３のうち共振領域３２ａ上に形成されている部分である中央電極部分３３ａが膜厚方向に振動しやすくなり、Ｑ値を向上させることが可能となる。また、圧電層３２の圧電材料として、ＫＮＮを採用してもよく、ＫＮＮを採用すれば、ＰＺＴ系材料を採用する場合に比べて環境負荷を低減できる。なお、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。
【００２９】
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。
【００３０】
（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、上部電極３３の撓み領域３３ｄが、断面コルゲート板状に形成されている点が相違するだけである。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。
【００３１】
しかして、本実施形態の共振装置では、実施形態１と同様、図５（ａ），（ｂ）に示すように上部電極３３のうち共振領域３２ａ上に形成されている部分である中央電極部分３３ａが膜厚方向に振動しやすくなり、Ｑ値を向上させることが可能となる。
【００３２】
また、本実施形態の共振装置では、上部電極３３の撓み領域３３ｄが断面コルゲート板状に形成されているので、実施形態１の共振装置に比べて上部電極３３の撓み領域３３ｄのばね定数を小さくすることが可能となる。
【００３３】
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る。
【００３４】
（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６に示すように、上部電極３３の撓み領域３３ｄの平面視形状をつづら折れ状の形状としてある点が相違し、他の構成は実施形態１と同じなので、図示および説明を省略する。
【００３５】
本実施形態の共振装置では、実施形態１，２に比べて、撓み領域３３ｄが細長くなり、撓み領域３３ｄのばね定数を小さくすることが可能となる。
【００３６】
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る。
【００３７】
（実施形態４）
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７に示すように、支持基板１の上記一表面側に実施形態１にて説明した音響ミラー２（図１参照）を設けずに、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が形成されている点などが相違する。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。
【００３８】
また、本実施形態の共振装置は、上部電極３３の撓み領域（以下、第１の撓み領域と称する）３３ｄとは別に、下部電極３１のうち共振領域３２ａの周囲領域に重なる部分である周囲電極部分３１ｂに他の部位に比べてばね定数の小さな撓み領域（以下、第２の撓み領域と称する）３３ｄが形成されている。ここで、第２の撓み領域３１ｄは、周囲電極部分３１ｂに凹溝３１ｃを設けることにより形成されているので、エッチングにより容易に形成することができる。
【００３９】
本実施形態の共振装置の製造方法は実施形態１にて説明した製造方法と略同じであって、実施形態１にて説明した音響ミラー形成工程が不要となり、上部電極形成工程の後、第１の撓み領域３３ｄを形成する第１撓み領域形成工程を行い、その後、支持基板１の他表面側に上述の開孔部１ａ形成用にパターニングされたマスク層を形成するマスク層形成工程を行ってから、当該マスク層をマスクとして、支持基板１をドライエッチングあるいはウェットエッチングすることにより開孔部１ａを形成する開孔部形成工程を行い、続いて、上記マスク層を除去するマスク層除去工程を行い、その後、第２の撓み領域３１ｄを形成する第２撓み領域形成工程を行うようにすればよい。
【００４０】
以上説明した本実施形態の共振装置では、上部電極３３の第１の撓み領域３３ｄとは別に、下部電極３１のうち共振領域３２ａの周囲領域に重なる周囲電極部分３１ｄに他の部位に比べてばね定数の小さな第２の撓み領域３１ｄが形成されていることにより、図８（ａ），（ｂ）に示すように、下部電極３１のうち共振領域３２ａの周囲領域に重なる部分が膜厚方向に振動しやすくなり、Ｑ値をより向上させることが可能となる。
【００４１】
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る。また、他の実施形態２，３においても、音響ミラー２を設けずに、支持基板１に開孔部１ａを形成してＦＢＡＲを構成するようにし、下部電極３１に第２の撓み領域３１ｄを形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態１における共振装置の概略断面図である。
【図２】同上における共振装置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における共振装置の概略断面図である。
【図５】同上における共振装置の動作説明図である。
【図６】実施形態３における共振装置の要部概略平面図である。
【図７】実施形態４における共振装置の概略断面図である。
【図８】同上における共振装置の動作説明図である。
【図９】従来例を示す共振装置の概略断面図である。
【図１０】同上における共振装置の動作説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  支持基板
２  音響ミラー
３  共振子
４  絶縁膜
４ａ  開孔部
３１  下部電極
３１ａ  中央電極部分
３１ｂ  周囲電極部分
３１ｃ  凹溝
３１ｄ  撓み領域（第２の撓み領域）
３２  圧電層
３２ａ  共振領域
３３  上部電極
３３ａ  中央電極部分
３３ｂ  周囲電極部分
３３ｃ  凹溝
３３ｄ  撓み領域（第１の撓み領域）
【図１】
2009100466.tif 000003
【図２】
2009100466.tif 000004
【図３】
2009100466.tif 000005
【図４】
2009100466.tif 000006
【図５】
2009100466.tif 000007
【図６】
2009100466.tif 000008
【図７】
2009100466.tif 000009
【図８】
2009100466.tif 000010
【図９】
2009100466.tif 000011
【図１０】
2009100466.tif 000012