JP5591977B2

JP5591977B2 - 圧電薄膜共振器、フィルタ、デュープレクサ、通信モジュール、および通信装置

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Publication number: JP5591977B2
Application number: JP2013095146A
Authority: JP
Inventors: 匡郁岩城; 時弘西原; 政則上田
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: JP2013176142A

Description

本発明は、携帯電話、ＰＨＳ、無線ＬＡＮなどの移動体通信、高周波無線通信で使用する薄膜バルク弾性波共振器（ＦＢＡＲ：Film Acoustic Bulk Resonator）に関する。また、圧電薄膜共振器を用いたフィルタ、デュープレクサ、通信モジュール、および通信装置に関する。

近年、高周波通信用のフィルタ素子として圧電材料の厚み縦振動を利用した共振子であるＦＢＡＲが注目されている。

図２３は、ＦＢＡＲの平面図である。図２４は、図２３におけるＡ−Ａ部の断面図である。図２３及び図２４に示すように、ＦＢＡＲは圧電膜１０３を上部電極１０１と下部電極１０２とで挟み込んだ構造で、上部電極１０１と下部電極１０２とが対向して形成される領域（以下、共振部Ｒ１と呼ぶ）が実際的な共振器となっている。共振部Ｒ１の上下に空隙１０５あるいは音響反射器を設けることで、共振部Ｒ１に生じた弾性波を減衰させず、クオリティファクタ（Ｑ）の高い共振特性を得ることができる。

図２５に示すように、圧電薄膜共振器では、厚み振動の共振周波数及び反共振周波数に近い周波数帯において、横方向の伝播成分を持った振動モード（横モード）が存在する。横モードの波Ｗ１は、共振部Ｒ１の端部で反射するか（反射波Ｗ２）、共振部Ｒ１の端部を透過して非共振部Ｒ２へ伝播する。非共振部Ｒ２へ伝播する波は、損失となってしまう（例えば、反射特性をスミスチャート表示するとＱ円が小さく見える）。実際の共振器構造を鑑みるに、図２６及び図２７（ａ）に示すように、製造上、上部電極１０１及び下部電極１０２の端部には傾斜があり、図７（ｂ）に示すように、非共振部Ｒ２に向けて徐々に圧電膜１０３の見かけの音響インピーダンスが小さくなっている（なお、音響インピーダンスＺは、材料の密度ρと音速ｃの積、音速は圧電膜上に質量が付加されると変化するため、質量付加なしの場合の固有の音響インピーダンスに対して見かけの音響インピーダンスが存在する。本明細書中においては、音響インピーダンス＝見かけの音響インピーダンス、と定義する）。

理論によれば、ポアソン比が１／３以下の圧電薄膜を用いた共振器では、共振部より周辺部の音響インピーダンスが小さいと横モードの波が端部を透過し損失になり易い。また、実際に光学観測により共振器の外部に漏洩波が存在することが分かっており、漏洩波を防止することが課題になっている。

横波の漏洩防止に関する従来技術としては、例えば特許文献１及び２に開示されたものがある。特許文献１及び２には、図２８及び図２９に示すように、共振部Ｒ１の周辺を音響特性の異なる層１０６で一様に囲ってしまう構成が開示されている。この構成は、共振器周辺の音響インピーダンスが励振部の音響インピーダンスより大きくなるため、理論で予測されている通り横波の漏洩防止効果があると考えられる。
特開２００３−５０５９０６号公報特開２００６−１０９４７２号公報

しかしながら、特許文献１及び２に開示された構成では、以下のような問題点がある。

まず、当該文献には、音響特性の変化を励振部内側に設けても良いと記述されているが、本来励振部である個所に音響特性の異なる領域を設けることは、電気エネルギーが音波に変換されない部分を増やす、つまり共振器の性能を示す電気機械結合係数を低下させるため、例えばフィルタ作成時に帯域幅が狭くなり問題である。

さらに、当該文献に開示された構成では、励振部周辺を励振部と音響インピーダンスが異なるよう枠状に囲う構造を特徴としているが、励振部内に閉じこめられた横波が励振部内側で強い定在波のモードを形成してしまう問題もある。図３０及び図３１は、図２３及び図２４に示す基本的な共振器の電気的特性と、図２８及び図２９に示す共振器の電気的特性を示す図である。両者の共振器の電気的特性を比較すると、発生した強い定在波モードにより、共振点より低周波側に大きなスパイク状の損失点（スプリアス）が生じていることが分かる。これは、当該共振器を用いて例えば図３２に示すようなラダー型のフィルタを構成した場合に、図３３に示すように通過帯域内にスパイク状の損失（スプリアス）を生じさせ、挿入損失、ＥＶＭ（Error Vector Magnitude）といった指標を悪化させる原因となる。

本発明の目的は、共振部周囲に傾斜を有する圧電薄膜共振器において、傾斜上の音響インピーダンスが傾斜より内側の領域より大きくなるよう質量を付加し、さらに向かい合う辺での音響インピーダンスがそれぞれ異なるよう設計することで、横波のエネルギー散逸を防止しながら従来例より電気機械結合係数の低下、および定在波モードの増大を抑圧した圧電薄膜共振器を実現することである。また、圧電薄膜共振器を用いたフィルタ、デュープレクサ、通信モジュール、および通信装置を実現することを目的とする。

本発明の圧電薄膜共振器は、基板と、前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振器であって、前記上部電極上に配された質量体を備え、前記質量体は、前記上部電極における前記下部電極に対向する領域の端部の一部に配されているものである。

本発明によれば、横波のエネルギー散逸を防止しながら従来例より電気機械結合係数の低下、および定在波モードの増大を抑圧した圧電薄膜共振器を実現することができる。また、このような圧電薄膜共振器をフィルタ、デュープレクサ、通信モジュール、および通信装置に搭載することで、フィルタ特性を向上させたり、通信品質を向上させたりすることができる。

実施の形態における圧電薄膜共振器の第１の構成を示す平面図（ａ）は図１におけるＡ−Ａ部の断面図、（ｂ）は音響インピーダンスの特性図実施の形態における圧電薄膜共振器と従来の圧電薄膜共振器の電気的特性を比較したスミスチャート実施の形態における圧電薄膜共振器と従来の圧電薄膜共振器の電気的特性を比較した特性図実施の形態における圧電薄膜共振器と従来の圧電薄膜共振器の電気的特性を比較したスミスチャート実施の形態における圧電薄膜共振器の第２の構成を示す平面図（ａ）は図６におけるＡ−Ａ部の断面図、（ｂ）は音響インピーダンスの特性図実施の形態における圧電薄膜共振器の第３の構成を示す平面図（ａ）は図８におけるＡ−Ａ部の断面図、（ｂ）は音響インピーダンスの特性図実施の形態における圧電薄膜共振器と従来の圧電薄膜共振器の電気的特性を比較した特性図実施例１における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図図１１ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図実施例２における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図図１２ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図実施例３における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図図１３ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図実施例４における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図図１４ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図実施例５における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図図１５ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図実施例６における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図図１６ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図実施例７における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図図１７ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図実施例８における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図図１８ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図実施の形態の圧電薄膜共振器の製造プロセスを示す断面図実施の形態の圧電薄膜共振器の製造プロセスを示す断面図実施の形態の圧電薄膜共振器の製造プロセスを示す断面図実施の形態におけるデュープレクサの構成を示すブロック図実施の形態における通信モジュールの構成を示すブロック図実施の形態における通信装置の構成を示すブロック図圧電薄膜共振器の基本構成を示す断面図従来の圧電薄膜共振器の構成を示す平面図図２４におけるＡ−Ａ部の断面図従来の圧電薄膜共振器の構成を示す平面図（ａ）は図２６におけるＡ−Ａ部の断面図、（ｂ）は音響インピーダンスの特性図従来の圧電薄膜共振器の構成を示す平面図（ａ）は図２８におけるＡ−Ａ部の断面図、（ｂ）は音響インピーダンスの特性図質量体を設ける構成と設けない構成の電気的特性を比較したスミスチャート質量体を設ける構成と設けない構成の電気的特性を比較した特性図フィルタの基本構成を示す回路図音響特性差を設ける構成と設けない構成の電気的特性を比較した特性図

このような構成によれば、圧電膜中に横モードの波を閉じ込めることができ、かつ一部の境界には質量付加しないことから、質量付加しない個所を適切に選ぶことで、横モードの定在波の強度が大きくなることを防止できる。

本発明の圧電薄膜共振器において、前記質量体は、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における前記圧電膜の一部の見かけの音響インピーダンスが、前記境界より内側の領域における前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスより大きくなる位置に配されている構成とすることができる。

本発明の圧電薄膜共振器において、前記質量体は、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における、前記上部電極の端部と一致する境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスと、前記上部電極の端部と一致しない境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスとが異なるように配されている構成とすることができる。

このような構成とすることで、圧電膜中に横モードの波を閉じ込めることができ、かつ音響インピーダンスの異なる境界で反射した横モードの波の位相が各々異なるため、横モードの定在波の強度が大きくなることを防止できる。

本発明の圧電薄膜共振器において、前記質量体は、少なくとも一部が誘電体あるいは圧電体を含み、前記誘電体あるいは圧電体が前記上部電極と接している構成とすることができる。

このような構成によれば、質量付加する位置を可能な限り境界の際に位置せしめることができ、質量付加したことによって振動に寄与する面積が減少し、電気機械結合係数ｋ＾２が低下することを防止できる。

本発明の圧電薄膜共振器において、前記上部電極は、前記下部電極に対向する領域と、その領域よりも外側の領域との境界において、９０°未満の傾斜部を備えている構成とすることができる。

このような構成によれば、境界部において重み付けを行う際に段差による形状の不連続、製造の不具合を防ぐことができ、品質の良い共振器を形成することができる。

本発明の圧電薄膜共振器において、前記質量体は、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）を含む構成とすることができる。

このような構成によれば、横波を閉じ込めると同時に共振器の直列抵抗を減じることができ、高Ｑな共振器を形成することができる。

本発明の圧電薄膜共振器において、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が楕円形状である構成とすることができる。

このような構成によれば、例え共振部と非共振部との境界で横波が反射しても、特定の方向の反射波が強め合うことがなく、横モードの定在波を強まることをより一層抑圧することができる。

本発明の圧電薄膜共振器において、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が非方形の多角形である構成とすることができる。

本発明の圧電薄膜共振器において、前記傾斜部は、ドライエッチング処理により形成された構成とすることができる。

このような構成によれば、精度良く傾斜を形成することができる。

本発明の圧電薄膜共振器において、前記誘電体は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成されている構成とすることができる。

本発明の圧電薄膜共振器において、前記上部電極及び前記下部電極は、少なくとも前記圧電膜に接する部分がルテニウム（Ｒｕ）で形成されている構成とすることができる。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態における圧電薄膜共振器の第１の構成の平面図である。図２（ａ）は、図１におけるＡ−Ａ部の断面図である。図２（ｂ）は、図１及び図２（ａ）に示す圧電薄膜共振器における音響インピーダンスを示す。図１及び図２に示すように、本実施の形態の圧電薄膜共振器は、基板１４上に、圧電膜１３を挟持した上部電極１１及び下部電極１２とを備えている。上部電極１１と下部電極１２とが互いに対向した領域が共振部Ｒ１であり、その周辺の非共振領域が非共振部Ｒ２である。共振部Ｒ１の下方には、空隙１５または音響多層膜（不図示）が形成されている。共振部Ｒ１において発生した波は、共振部Ｒ１の端部で反射するか（反射波Ｗ１１）、非共振部Ｒ２に漏洩する（漏洩波Ｗ１２）。

本実施の形態の特徴は、図１に示すように共振部Ｒ１と非共振部Ｒ２との境界における上部電極１１の傾斜部１１ａに沿い、質量体１６を備えていることである。質量体１６は、誘電体、圧電体、金属等で構成することができる。このように質量体１６を備えることで、傾斜部１１ａの音響インピーダンスを増し、共振部Ｒ１において発生した弾性波Ｗ１１が共振部Ｒ１内に閉じこもる構造となる。

この時、共振部Ｒ１の周囲のうち少なくとも一部には、質量体１６を付加しない領域を備えたことも特徴としている。図１及び図２に示す構成では、上部電極１１の端部側にのみ円弧状（図１参照）の質量体１６を付加し、その端部に対向する部位には質量体１６を付加していない。このように、質量体１６を共振部Ｒ１の外周の一部のみに付加することにより、質量体１６を付加しない部位を通じて弾性波Ｗ１１の一部が非共振部Ｒ２へ透過し（漏洩波Ｗ１２）、共振部Ｒ１内において定在波が強め合うことを抑制することができる。

図３、図４、および図５は、定在波の発生の抑圧について、実験で確認を行った結果を示す。図３〜図５に示すように、図２３及び図２４に示す従来の共振器の特性と比較すると、本実施の形態（本発明）のように共振部Ｒ１の周囲の一部にだけ質量体１６を付加することで、反共振点近傍の反射係数が増加し、横波の漏洩が防止できることが確認できた。また、図２８及び図２９に示すように、共振部Ｒ１の全周囲に質量体を付加する構成と比べて、定在波の発生を抑制できることが確認できた。

図６は、本実施の形態における圧電薄膜共振器の第２の構成の平面図である。図７（ａ）は、図６におけるＡ−Ａ部の断面図である。図７（ｂ）は、図６及び図７（ａ）に示す圧電薄膜共振器における音響インピーダンスを示す。本構成は、共振部Ｒ１の全周囲に質量体を付加し、さらに上部電極１１の傾斜部１１ａに付加した質量体１７と、傾斜部１１ａに対向する傾斜部１１ｂに付加した質量体１８とを、互いに質量を異ならせることを特徴としている。このような構成とすることで、共振部Ｒ１の外周において互いに対向する辺における音響インピーダンスが異なるため、反射波の位相が各々一致せず、横波の定在波が強め合うことを抑制することができる。

図８は、本実施の形態における圧電薄膜共振器の第３の構成の平面図である。図９（ａ）は、図８におけるＡ−Ａ部の断面図である。図９（ｂ）は、図８及び図９（ａ）に示す圧電薄膜共振器における音響インピーダンスを示す。本構成は、質量体における上部電極１１と接触する部分の少なくとも一部を、誘電体、または圧電体とすることを特徴としている。図８に示す構成では、質量体２０と上部電極１１との間に圧電体１９を備えた。このような構成とすることで、質量体２０を共振部Ｒ１内の最大限外側に配置することができ、質量体２０の付加によって振動に寄与する面積が減少し電気機械結合係数を低下させてしまうことを防止できる。また、この時、圧電体１９（または誘電体）上に金属を積層すれば、質量が低い誘電体のみを付加した場合より、小さい膜厚で同様の効果を得ることができる。

図１０は、圧電のＦＥＭシミュレータ（FEM：finite element method、有限要素法）を用いて、共振部Ｒ１の内側へ質量体を付加した場合（図２８及び図２９に示す従来技術）と、共振部Ｒ１の外側に接するよう質量体を付加した場合（図８及び図９に示す本実施の形態の第３の構成）との、それぞれの電気的特性を計算した結果を示す。図１０に示すように、電気機械結合係数ｋ＾２は、共振周波数と反共振周波数との差から簡便に見積もることができ、本実施の形態の圧電薄膜共振器におけるｋ＾２は６．４％、従来の圧電薄膜共振器におけるｋ＾２は５．９％となり、両者の間に０．５％の差があることが確認できた。このｋ＾２の差は、２ＧＨｚの周波数で約４ＭＨｚの差となり、広帯域のフィルタが求められる通信装置（携帯電話端末など）においては重要な差である。

以下、本実施の形態の圧電薄膜共振器の実施例について説明する。本実施の形態における圧電薄膜共振器の第１の構成の実施例が実施例１〜３であり、第２の構成の実施例が実施例４及び５であり、第３の構成の実施例が実施例６〜８である。

（実施例１）
図１１Ａは、本実施形態に係る共振器の第１実施例の要部平面図である。図１１Ｂは、図１１ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図である。本実施例の圧電薄膜共振器は、基板１４と、圧電膜１３と、圧電膜１３を挟持するように配された上部電極１１及び下部電極１２と、上部電極１１上における非共振部Ｒ２に形成された低抵抗電極（Ａｕ、Ａｌ等）からなるコンタクト電極２１と、上部電極１１上の傾斜部１１ａに配された質量体１６ａとを備えている。質量体１６ａは、図１１Ａに示すように上部電極１１の端部に沿うように形成され、その端部に対向する部位には形成されていない。

質量体１６ａは、圧電体、誘電体あるいは金属から構成される。また、質量体１６ａは、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ），チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），酸化ケイ素（ＳｉＯ２），酸化チタン（ＴｉＯ２），ルテニウム（Ｒｕ），モリブデン（Ｍｏ），金（Ａｕ），チタン（Ｔｉ），銅（Ｃｕ），タングステン（Ｗ），およびアルミニウム（Ａｌ）のいずれか一つまたはいずれか一つを主成分とする合成材料で形成することができる。また、質量体１６ａの膜厚、幅、配置は、例えば前述した汎用の圧電解析ソフトを用いたシミュレーションから求めることができ、より最適には実験から導出することが望ましい。上部電極１１における傾斜部１１ａ及び１１ｂ、下部電極１２における傾斜部１２ａは、イオンミリング装置を用いて切削することで形成することができる。また、質量体１６ａは、スパッタリング法を用いて堆積したのち、ドライエッチング、またはウエットエッチングにより形成することができる。

このような構成とすることで、共振部Ｒ１内で発生した弾性波Ｗ１１が共振部Ｒ１内で閉じこもることがなく、漏洩波Ｗ１２として非共振部Ｒ１２に漏れていくため、共振部Ｒ１内で定在波を強め合うことを防止することができる。

（実施例２）
図１２Ａは、本実施形態に係る共振器の第２実施例の要部平面図である。図１２Ｂは、図１２ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例１に示す構成と異なるのは、質量体の形状である。本実施例では、図１２Ａに示すように、質量体１６ｂの形状を、上部電極１１の端部だけでなく、その端部に対向する部位まで延在して形成されていることを特徴としている。さらに、質量体１６ｂは、共振部Ｒ１の全周囲を囲むのではなく、一部に開口部１６ｃを設けている。この開口部１６ｃから、弾性波Ｗ１１の一部が漏洩波Ｗ１２として、非共振部Ｒ１２に漏れていく。

（実施例３）
図１３Ａは、本実施形態に係る共振器の第３実施例の要部平面図である。図１３Ｂは、図１３ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例１に示す構成と異なるのは、質量体の形状である。本実施例では、図１３Ａに示すように、質量体１６ｄの形状を、上部電極１１の端部だけでなく、その端部に対向する部位まで延在して形成されていることを特徴としている。さらに、質量体１６ｄは、共振部Ｒ１の全周囲を囲むのではなく、一部に開口部１６ｅ（実施例２の開口部１６ｃと同様）及び１６ｆを設けている。この開口部１６ｅ及び１６ｆから、弾性波Ｗ１１の一部が漏洩波Ｗ１２として、非共振部Ｒ１２に漏れていく。

（実施例４）
図１４Ａは、本実施形態に係る共振器の第４実施例の要部平面図である。図１４Ｂは、図１４ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図である。本実施例の圧電薄膜共振器は、基板１４と、圧電膜１３と、圧電膜１３を挟持するように配された上部電極１１及び下部電極１２と、上部電極１１上における非共振部Ｒ２に形成された低抵抗電極（Ａｕ、Ａｌ等）からなるコンタクト電極２１と、上部電極１１の傾斜部１１ａに配された第１の質量体１７ａと、上部電極１１の傾斜部１１ｂに配された第２の質量体１８ａとを備えている。第１の質量体１７ａは、圧電体、誘電体あるいは金属で構成されている。第２の質量体１８ａは、第１の質量体１７ａとは異なる材料で構成された圧電体、誘電体あるいは金属で構成されている。第１の質量体１７ａ及び第２の質量体１８ａは、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ），チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），酸化ケイ素（ＳｉＯ２），酸化チタン（ＴｉＯ２），ルテニウム（Ｒｕ），モリブデン（Ｍｏ），金（Ａｕ），チタン（Ｔｉ），銅（Ｃｕ），タングステン（Ｗ），およびアルミニウム（Ａｌ）のうちいずれか一つあるいはいずれか一つを主成分とする合成材料で形成することができる。また、第１の質量体１７ａ及び第２の質量体１８ａの膜厚、幅、配置は、例えば前述した汎用の圧電解析ソフトを用いたシミュレーションから求めることができ、より最適には実験から導出することが望ましい。また、上部電極１１の傾斜部１１ａおよび下部電極１２の傾斜部１２ａは、イオンミリング装置を用いて切削することで形成することができる。また、第１の質量体１７ａ及び第２の質量体１８ａは、スパッタリング法を用いて堆積したのち、ドライエッチング、またはウエットエッチングにより形成することができる。

このような構成とすることで、共振部Ｒ１の外周において互いに対向する辺における音響インピーダンスが異なるため、第１の質量体１７ａで反射した弾性波Ｗ１１（反射波）の位相と第２の質量体１８ａで反射した弾性波Ｗ１３（反射波）の位相とが互いに一致せず、横波の定在波が強め合うことを抑制することができる。

（実施例５）
図１５Ａは、本実施形態に係る共振器の第５実施例の要部平面図である。図１５Ｂは、図１５ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例４に示す構成と異なるのは、第２の質量体１８ａに代えて、コンタクト電極２１の一部を傾斜部１１ｂ上まで延在させた点である。また、第１の質量体１７ａは、コンタクト電極２１と異なる材料で形成され、例えば実施例４の欄に記載した材料で形成することができる。

本実施例では、コンタクト電極２１の端部２１ａを、傾斜部１１ｂ上に位置するように形成したことにより、共振部Ｒ１の外周において互いに対向する辺における音響インピーダンスが異なるため、第１の質量体１７ａで反射した弾性波Ｗ１１（反射波）の位相とコンタクト電極２１の端部２１ａで反射した弾性波Ｗ１３（反射波）の位相とが互いに一致せず、横波の定在波が強め合うことを抑制することができる。

また、本実施例によれば、実施例４における第２の質量体１８ａとコンタクト電極２１とを一体化した構成であるため、製造工数を削減することができる。

なお、本実施例では、実施例４に示す第２の質量体１８ａとコンタクト電極２１とを一体形成する構成としたが、第１の質量体１７ａ及び第２の質量体１８ａのうちいずれか一つがコンタクト電極２１と同一の材料で形成し、コンタクト電極２１と一体形成する構成であればよい。

（実施例６）
図１６Ａは、本実施形態に係る共振器の第６実施例の要部平面図である。図１６Ｂは、図１６ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図である。本実施例の圧電薄膜共振器は、基板１４と、圧電膜１３と、圧電膜１３を挟持するように配された上部電極１１及び下部電極１２と、上部電極１１上における非共振部Ｒ２に形成された低抵抗電極（Ａｕ、Ａｌ等）からなるコンタクト電極２１と、第３の質量体１９ａと、第４の質量体２０ａとを備えている。第３の質量体１９ａは、上部電極１１の傾斜部１１ａ上における非共振部Ｒ２に近い位置から、非共振部Ｒ２にかけて配されていることが望ましい。本実施例では、傾斜部１１ａ上から、上部電極１１の端部近傍における圧電膜１３上に接する位置に配されている。また、第３の質量体１９ａは、圧電体もしくは誘電体で形成することが望ましい。第４の質量体２０ａは、第３の質量体１９ａ上に積層されて形成されている。また、第３の質量体１９ａ及び第４の質量体２０ａは、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ），チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），酸化ケイ素（ＳｉＯ２），酸化チタン（ＴｉＯ２），ルテニウム（Ｒｕ），モリブデン（Ｍｏ），金（Ａｕ），チタン（Ｔｉ），銅（Ｃｕ），タングステン（Ｗ），アルミニウム（Ａｌ）で形成することができる。また、第３の質量体１９ａ及び第４の質量体２０ａの膜厚、幅、配置は、例えば前述した汎用の圧電解析ソフトを用いたシミュレーションから求めることができ、より最適には実験から導出することが望ましい。また、上部電極１１の傾斜部１１ａおよび下部電極１２の傾斜部１２ａは、イオンミリング装置を用いて切削することで形成することができる。また、第３の質量体１９ａ及び第４の質量体２０ａは、スパッタリング法を用いて堆積したのち、ドライエッチング、またはウエットエッチングにより形成することができる。

このような構成とすることで、第３の質量体１９ａ及び第４の質量体２０ａを共振部Ｒ１内の最大限外側に配置することができ、質量体の付加によって振動に寄与する面積が減少し電気機械結合係数を低下させてしまうことを防止できる。また、この時、第３の質量体１９ａ上に金属を積層すれば、質量が低い誘電体のみを付加した場合より、小さい膜厚で同様の効果を得ることができる。

（実施例７）
図１７Ａは、本実施形態に係る共振器の第７実施例の要部平面図である。図１７Ｂは、図１７ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例６に示す構成と異なるのは、上部電極１１における傾斜部１１ａに対向する位置に形成された傾斜部１１ｂに、第２の質量体１８ａ（実施例４参照）を配した点である。他の構成は、実施例６に示す構成と同様である。また、第２の質量体１８ａの具体構成については、実施例４において説明したので省略するが。第２の質量体１８ａの質量と第３の質量体１９ａ及び第４の質量体２０ａの総質量とは、少なくとも異ならせてあればよい。

また、共振部Ｒ１の外周において互いに対向する辺における音響インピーダンスが異なるため、第３の質量体１９ａ及び第４の質量体２０ａで反射した弾性波Ｗ１１（反射波）の位相と第２の質量体１８ａで反射した弾性波Ｗ１３（反射波）の位相とが互いに一致せず、横波の定在波が強め合うことを抑制することができる。

（実施例８）
図１８Ａは、本実施形態に係る共振器の第８実施例の要部平面図である。図１８Ｂは、図１８ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例７に示す構成と異なるのは、第２の質量体１８ａに代えて、コンタクト電極２１の一部を傾斜部１１ｂ上まで延在させた点である。また、第１の質量体１７ａは、コンタクト電極２１と異なる材料で形成され、例えば実施例４の欄に記載した材料で形成することができる。

また、本実施例によれば、第２の質量体１８ａとコンタクト電極２１とを一体化した構成であるため、製造工数を削減することができる。

なお、本実施例では、実施例７に示す第２の質量体１８ａとコンタクト電極２１とを一体形成する構成としたが、第１の質量体１７ａ及び第２の質量体１８ａのうちいずれか一つがコンタクト電極２１と同一の材料で形成し、コンタクト電極２１と一体形成する構成であればよい。

実施例１〜８の圧電薄膜共振子において、上部電極１１及び下部電極１２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等を用いることができる。また、圧電膜１３は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）等を用いることができる。また、基板１４は、シリコン、ガラス等を用いることができる。圧電膜１３は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むことが好ましい。ＡｌＮは音速が速いため、Ｑ値の良好な共振器を実現することができる。また、下部電極１２および上部電極１１の少なくとも一方は、ルテニウム（Ｒｕ）膜を含むことが好ましい。Ｒｕは高音響インピーダンスを有する材料のため、Ｑ値の良好な共振子を実現することができる。

本実施の形態の圧電薄膜共振器において、下部電極１２は、基板１４に貫通形成された空隙１５上に配されている構成としたが、基板１４の表面上に空隙を形成し、その空隙上に下部電極１２を配する構成としてもよい。

また、本実施の形態における圧電薄膜共振器は、ＦＢＡＲ型圧電薄膜共振器に限らず、ＳＭＲ（solidly mounted resonator）型圧電薄膜共振器であってもよい。

さらに、実施例で示した図は、共振器の主要部分のみ記載しており、他の部材が設けられていてもよい。例えば、下部電極１２の下に補強またはエッチングストップ層として誘電体膜を設けたり、上部電極１１にパッシベーション膜または周波数調整用の誘電体膜を設けてもよい。

〔２．圧電薄膜共振器の製造方法〕
図１９Ａ〜図１９Ｃは，圧電薄膜共振子の製造プロセスを説明するための図である。図示の圧電薄膜共振器は、実施例４に示す圧電薄膜共振器において基板１４の表面と下部電極１２との間に空隙を形成した構成を一例として挙げている。

先ず、図１９Ａに示すように、Ｓｉ基板（あるいは石英基板）からなる基板１４上に，酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる犠牲層膜３０を、スパッタリング法や真空蒸着法により成膜する。基板１４の厚さは、例えば。２０〜１００ｎｍ程度とした。犠牲層３０は，ＭｇＯの他にも，酸化亜鉛（ＺｎＯ），ゲルマニウム（Ｇｅ），チタン（Ｔｉ），酸化ケイ素（ＳｉＯ２）など，エッチング液により容易に溶解できる材料であれば特に制限はない。

次に，フォトリソグラフィー技術とエッチング処理により，犠牲層３０を所望の形状にパターニングする。ここでは，上部電極１１と下部電極１２とが重なりあった部分の形状と概ね等しい楕円形状にパターニングした。

次に，図１９Ｂに示すように、基板１４及び犠牲層３０上に下部電極１２、圧電膜１３、上部電極１１、重み付け層を順次形成する。下部電極１２は、スパッタリング成膜され，さらにフォトリソグラフィー処理とエッチング処理により下部電極１２を所望の形状にパターニングする。これに続いて，圧電膜１３であるＡｌＮを、Ａｒ／Ｎ２混合ガス雰囲気中でＡｌターゲットを用いてスパッタリング成膜する。そして，上部電極１１のＲｕ膜を、スパッタリング成膜する。更に、重み付け層を、例えばＴｉであればスパッタリング成膜する。このようにして成膜された積層膜に、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理（ウェットエッチングまたはドライエッチング）を施し，重み付け層，上部電極１１と圧電膜１３とを所望の形状にパターニングする。スパッタ条件は、下部電極１２，圧電膜１３，上部電極１１からなる積層膜の応力が圧縮応力となるように設定する。メンブレンに接する上部電極１１の引出部分の中央部は，この次の工程で形成する空隙の上に形成され，上部電極１１の引出部分の両端部は空隙の外側になるように形成している。

次に，図１９Ｃに示すように、下部電極１２に対して，レジストパターニングによるフォトリソグラフィー技術によりエッチング液導入孔を形成し，このエッチング液導入孔からエッチング液を導入して犠牲層３０をエッチング除去することで、空隙３１を形成する。エッチング液導入孔は、下部電極１２をエッチングする際に同時に形成しておいてもよい。ここで，下部電極１２、圧電膜１３および上部電極１１からなる積層膜の応力が圧縮応力となるように設定される。このような応力条件を満足することにより，犠牲層３０のエッチング終了時点で，積層膜が膨れ上がり下部電極１２と基板１４との間にドーム形状の空隙３１を形成することができる。

〔３．デュープレクサの構成〕
携帯電話端末、ＰＨＳ（Personal Handy-phone System）端末、無線ＬＡＮシステムなどの移動体通信（高周波無線通信）には、デュープレクサが搭載されている。デュープレクサは、通信電波などの送信機能及び受信機能を持ち、送信信号と受信信号の周波数が異なる無線装置において用いられる。

図２０は、本実施の形態の圧電薄膜共振器を備えたデュープレクサの構成を示す。デュープレクサ５２は、位相整合回路５３、受信フィルタ５４、および送信フィルタ５５を備えている。位相整合回路５３は、送信フィルタ５５から出力される送信信号が受信フィルタ５４側に流れ込むのを防ぐために、受信フィルタ５４のインピーダンスの位相を調整するための素子である。また、位相整合回路５３には、アンテナ５１が接続されている。受信フィルタ５４は、アンテナ５１を介して入力される受信信号のうち、所定の周波数帯域のみを通過させる帯域通過フィルタで構成されている。また、受信フィルタ５４には、出力端子５６が接続されている。送信フィルタ５５は、入力端子５７を介して入力される送信信号のうち、所定の周波数帯域のみを通過させる帯域通過フィルタで構成されている。また、送信フィルタ５５には、入力端子５７が接続されている。ここで、受信フィルタ５４及び送信フィルタ５５には、本実施の形態における圧電薄膜共振器が含まれている。

以上のように、本実施の形態の圧電薄膜共振器を受信フィルタ５４及び送信フィルタ５５に備えることで、通過帯域内におけるスパイク状の損失（スプリアス）の発生を防止し、挿入損失、ＥＶＭ（Error Vector Magnitude）を低下させることができる。

〔４．通信モジュールの構成〕
図２１は、本実施の形態の圧電薄膜共振器または上記デュープレクサを備えた通信モジュールの一例を示す。図２１に示すように、デュープレクサ６２は、受信フィルタ６２ａと送信フィルタ６２ｂとを備えている。また、受信フィルタ６２ａには、例えばバランス出力に対応した受信端子６３ａ及び６３ｂが接続されている。また、送信フィルタ６２ｂは、パワーアンプ６４を介して送信端子６５に接続している。ここで、受信フィルタ６２ａ及び送信フィルタ６２ｂには、本実施の形態における圧電薄膜共振器が含まれている。

受信動作を行う際、受信フィルタ６２ａは、アンテナ端子６１を介して入力される受信信号のうち、所定の周波数帯域の信号のみを通過させ、受信端子６３ａ及び６３ｂから外部へ出力する。また、送信動作を行う際、送信フィルタ６２ｂは、送信端子６５から入力されてパワーアンプ６４で増幅された送信信号のうち、所定の周波数帯域の信号のみを通過させ、アンテナ端子６１から外部へ出力する。

以上のように本実施の形態の圧電薄膜共振器またはデュープレクサを、通信モジュールの受信フィルタ６２ａ及び送信フィルタ６２ｂに備えることで、通過帯域内におけるスパイク状の損失（スプリアス）の発生を防止し、挿入損失、ＥＶＭ（Error Vector Magnitude）を低下させることができる。

なお、図２１に示す通信モジュールの構成は一例であり、他の形態の通信モジュールに本発明の圧電薄膜共振器を搭載しても、同様の効果が得られる。

〔５．通信装置の構成〕
図２２は、本実施の形態の圧電薄膜共振器を備えた通信装置の一例として、携帯電話端末のＲＦブロックを示す。また、図２２に示す構成は、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）通信方式及びＷ−ＣＤＭＡ（Wideband Code Divition Multiple Access）通信方式に対応した携帯電話端末の構成を示す。また、本実施の形態におけるＧＳＭ通信方式は、８５０ＭＨｚ帯、９５０ＭＨｚ帯、１．８ＧＨｚ帯、１．９ＧＨｚ帯に対応している。また、携帯電話端末は、図２２に示す構成以外にマイクロホン、スピーカー、液晶ディスプレイなどを備えているが、本実施の形態における説明では不要であるため図示を省略した。ここで、受信フィルタ７３ａ，７７，７８，７９，８０、および送信フィルタ７３ｂには、本実施の形態における圧電薄膜共振器が含まれている。

まず、アンテナ７１を介して入力される受信信号は、その通信方式がＷ−ＣＤＭＡかＧＳＭかによってアンテナスイッチ回路７２で、動作の対象とするＬＳＩを選択する。入力される受信信号がＷ−ＣＤＭＡ通信方式に対応している場合は、受信信号をデュープレクサ７３に出力するように切り換える。デュープレクサ７３に入力される受信信号は、受信フィルタ７３ａで所定の周波数帯域に制限されて、バランス型の受信信号がＬＮＡ７４に出力される。ＬＮＡ７４は、入力される受信信号を増幅し、ＬＳＩ７６に出力する。ＬＳＩ７６では、入力される受信信号に基づいて音声信号への復調処理を行ったり、携帯電話端末内の各部を動作制御する。

一方、信号を送信する場合は、ＬＳＩ７６は送信信号を生成する。生成された送信信号は、パワーアンプ７５で増幅されて送信フィルタ７３ｂに入力される。送信フィルタ７３ｂは、入力される送信信号のうち所定の周波数帯域の信号のみを通過させる。送信フィルタ７３ｂから出力される送信信号は、アンテナスイッチ回路７２を介してアンテナ７１から外部に出力される。

また、入力される受信信号がＧＳＭ通信方式に対応した信号である場合は、アンテナスイッチ回路７２は、周波数帯域に応じて受信フィルタ７７〜８０のうちいずれか一つを選択し、受信信号を出力する。受信フィルタ７７〜８０のうちいずれか一つで帯域制限された受信信号は、ＬＳＩ８３に入力される。ＬＳＩ８３は、入力される受信信号に基づいて音声信号への復調処理を行ったり、携帯電話端末内の各部を動作制御する。一方、信号を送信する場合は、ＬＳＩ８３は送信信号を生成する。生成された送信信号は、パワーアンプ８１または８２で増幅されて、アンテナスイッチ回路７２を介してアンテナ７１から外部に出力される。

以上のように、本実施の形態の圧電薄膜共振器、またはその圧電薄膜共振器を備えた通信モジュールを通信装置に備えることで、通過帯域内におけるスパイク状の損失（スプリアス）の発生を防止し、挿入損失、ＥＶＭ（Error Vector Magnitude）を低下させることができる。

〔６．実施の形態の効果、他〕
本実施の形態によれば、上下電極が対向して形成される領域とその外側の領域の境界で、境界の一部の音響インピーダンスがそれより内側の領域の音響インピーダンスより大きくなるよう上部電極１１上に質量体１６を付加したことにより、圧電膜１３中に横モードの波を閉じ込めることができ、かつ一部の境界には質量付加しないことから、質量付加しない個所を適切に選ぶことで、横モードの定在波の強度が大きくなることを防止することができる。よって、横波のエネルギー散逸を防止しながら従来例より電気機械結合係数の低下を抑制し、帯域幅が狭くなることを防ぐことができる。また、定在波モードの増大を抑圧することができ、共振点より低周波側に大きなスパイク状の損失点（スプリアス）が発生することを防止することができる。

また、上下電極が対向して形成される領域とその外側の領域の境界で、境界の上部電極１１の端部と一致する個所の音響インピーダンスが上部電極１１の端部と一致しない個所の音響インピーダンスと異なる構成としたことにより、圧電膜１３中に横モードの波を閉じ込めることができ、かつ音響インピーダンスの異なる境界で反射した横モードの波の位相が各々異なるため、横モードの定在波の強度が大きくなることを防止できる。

また、質量体の少なくとも一部が誘電体あるいは圧電体を含み、誘電体あるいは圧電体が上部電極１１と接している構成とすることにより、質量付加する位置を可能な限り境界の際に位置せしめることができ、質量付加したことによって振動に寄与する面積が減少し、電気機械結合係数ｋ＾２が低下することを防止できる。

また、上下電極が対向して形成される領域とその外側の領域の境界において、上部電極１１に９０°未満の傾斜角を備えた傾斜部１１ａ及び１１ｂを備えたことにより、質量体を配置する際に段差による形状の不連続、製造の不具合を防ぐことができ、品質の良い共振器を形成することができる。

また、上部電極１１の端部と一致しない境界の音響インピーダンスを増すように負荷された質量体が、ＴｉおよびＡｕを含む低抵抗電極で構成することにより、共振部Ｒ１に横波を閉じ込めることができると同時に、共振器の直列抵抗を減じることができ、高Ｑな共振器を形成することができる。

また、上下電極が対向して形成される領域が楕円形状としたことにより、例え共振部Ｒ１と非共振部Ｒ２との境界で横波が反射しても、特定の方向の反射波が強め合うことがなく、横モードの定在波が強まることをより一層抑圧することができる。

また、上下電極が対向して形成される領域が非方形の多角形状としたことにより、例え共振部Ｒ１と非共振部Ｒ２との境界で横波が反射しても、特定の方向の反射波が強め合うことがなく、横モードの定在波が強まることをより一層抑圧することができる。

また、傾斜部１１ａ及び１１ｂをドライエッチング処理により形成したことにより、精度良く傾斜部を形成することができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

（付記１）
基板と、前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振器であって、前記上部電極上に配された質量体を備え、前記質量体は、前記上部電極における前記下部電極に対向する領域の端部の一部に配されている、圧電薄膜共振器。

（付記２）
前記質量体は、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における前記圧電膜の一部の見かけの音響インピーダンスが、前記境界より内側の領域における前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスより大きくなる位置に配されている、付記１記載の圧電薄膜共振器。

（付記３）
前記質量体は、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における、前記上部電極の端部と一致する境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスと、前記上部電極の端部と一致しない境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスとが異なるように配されている、付記１記載の圧電薄膜共振器。

（付記４）
前記質量体は、少なくとも一部が誘電体あるいは圧電体を含み、前記誘電体あるいは圧電体が前記上部電極と接している、付記１〜３のいずれかに記載の圧電薄膜共振器。

（付記５）
前記上部電極は、前記下部電極に対向する領域と、その領域よりも外側の領域との境界において、９０°未満の傾斜部を備えている、付記１〜３のいずれかに記載の圧電薄膜共振器。

（付記６）
前記質量体は、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）を含む、付記１〜４に記載の圧電薄膜共振器。

（付記７）
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が楕円形状である、付記１〜３に記載の圧電薄膜共振器。

（付記８）
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が非方形の多角形である、付記１〜３に記載の圧電薄膜共振器。

（付記９）
前記傾斜部は、ドライエッチング処理により形成された、付記８記載の圧電薄膜共振器。

（付記１０）
前記圧電膜は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成されている、付記１〜３に記載の圧電薄膜共振器。

（付記１１）
前記誘電体は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成されている、付記４記載の圧電薄膜共振器。

（付記１２）
前記上部電極及び前記下部電極は、少なくとも前記圧電膜に接する部分がルテニウム（Ｒｕ）で形成されている、付記１〜９に記載の圧電薄膜共振器。

（付記１３）
付記１〜１２のいずれかに記載の圧電薄膜共振器を備えた、フィルタ。

（付記１４）
付記１３に記載のフィルタを備えた、デュープレクサ。

（付記１５）
付記１３に記載のフィルタ、または付記１４に記載のデュープレクサを備えた、通信モジュール。

（付記１６）
付記１５に記載の通信モジュールを備えた、通信装置。

本発明の圧電薄膜共振器は、所定周波数の信号を受信または送信することができる機器に有用である。

１１上部電極
１２下部電極
１３圧電膜
１４基板
１６質量体

Claims

基板と、
前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、
前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振器であって、
前記上部電極上に配された質量体を備え、
前記上部電極は、前記下部電極に対向する領域と、その領域よりも外側の領域との境界において、９０°未満の傾斜部を備えているとともに、
前記質量体は、前記傾斜部上に配されているとともに、
前記質量体では、前記上部電極の端部の傾斜部上の質量体と、前記端部に対向する傾斜部上の質量体とが、それぞれ異なる材料で構成されている、
圧電薄膜共振器。
前記質量体は、
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における前記圧電膜の一部の見かけの音響インピーダンスが、前記境界より内側の領域における前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスより大きくなる位置に配されている、請求項１記載の圧電薄膜共振器。
前記質量体は、
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における、前記上部電極の端部と一致する境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスと、前記上部電極の端部と一致しない境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスとが異なるように配されている、請求項１記載の圧電薄膜共振器。
前記質量体は、
少なくとも一部が誘電体あるいは圧電体を含み、前記誘電体あるいは圧電体が前記上部電極と接している、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電薄膜共振器。
前記質量体は、
チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）を含む、請求項１〜４に記載の圧電薄膜共振器。
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が楕円形状である、請求項１〜３に記載の圧電薄膜共振器。
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が非方形の多角形である、請求項１〜３に記載の圧電薄膜共振器。
前記傾斜部は、
ドライエッチング処理により形成された、請求項７記載の圧電薄膜共振器。
前記圧電膜は、
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成されている、請求項１〜３に記載の圧電薄膜共振器。
前記誘電体は、
酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成されている、請求項４記載の圧電薄膜共振器。
前記上部電極及び前記下部電極は、
少なくとも前記圧電膜に接する部分がルテニウム（Ｒｕ）で形成されている、請求項１〜８に記載の圧電薄膜共振器。
請求項１〜１１のいずれかに記載の圧電薄膜共振器を備えた、フィルタ。
請求項１２に記載のフィルタを備えた、デュープレクサ。
請求項１２に記載のフィルタ、または請求項１３に記載のデュープレクサを備えた、通信モジュール。
請求項１４に記載の通信モジュールを備えた、通信装置。