JP6368298B2

JP6368298B2 - 圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサ

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Publication number: JP6368298B2
Application number: JP2015243624A
Authority: JP
Inventors: 横山　剛; 剛横山; 建松柳
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2035-12-14
Also published as: US10205432B2; US20170170809A1; JP2017112437A

Description

本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサに関し、圧電膜に挿入された挿入膜を有する圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサに関する。

圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば携帯電話等の無線機器のフィルタおよびデュプレクサとして用いられている。圧電薄膜共振器は、圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する構造を有している。圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する領域が共振領域である。

無線システムの急速な普及にともない、多くの周波数帯が使用されている。その結果、フィルタやデュプレクサのスカート特性を急峻化する要求が強まっている。スカート特性を急峻化する対策の一つに圧電薄膜共振器のＱ値を高めることがある。

特許文献１には、上部電極および下部電極の一方の表面に環帯を備えることが記載されている。特許文献２には、共振領域の外周領域に圧電膜に挿入された挿入膜を設けることが記載されている。特許文献３には、圧電膜内にブリッジと呼ばれる環帯を備えることが記載されている。

特開２００６−１０９４７２号公報特開２０１４−１６１００１号公報米国特許第９０４８８１２号明細書

特許文献１から３の圧電薄膜共振器では、共振領域からの弾性波エネルギーの漏洩を抑制し、Ｑ値を向上させることができる。しかしながら、共振領域内に環帯や挿入膜が設けられるため、電気機械結合係数等の特性が劣化する。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、共振器の特性を向上させることを目的とする。

本発明は、基板と、前記基板上に設けられ、下部圧電膜と上部圧電膜とが積層された圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に挿入された挿入膜と、を具備し、前記下部電極下に、平面視において前記圧電膜、前記下部電極および前記上部電極が重なる領域で定義される共振領域を含みかつ前記共振領域より大きな空隙または音響反射膜が設けられ、前記下部圧電膜、前記挿入膜および前記上部圧電膜が重なる積層膜は、前記共振領域の外輪郭の外側かつ前記空隙または音響反射膜の外輪郭の内側であって前記共振領域を囲む少なくとも一部に設けられ、前記共振領域内に設けられていない圧電薄膜共振器である。

上記構成において、前記共振領域を囲む少なくとも一部において、前記積層膜の内輪郭は、前記共振領域の外輪郭に略一致する構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域を囲む少なくとも一部において、前記積層膜の内輪郭は、前記共振領域の外輪郭より外側に位置する構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域を囲む少なくとも一部において、前記積層膜の外輪郭は、前記空隙または音響反射膜の外輪郭より内側に位置する構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域を囲む少なくとも一部において、前記積層膜の外輪郭は、前記空隙または音響反射膜の外輪郭より外側に位置する構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域を囲む少なくとも一部において、前記空隙または音響反射膜の外側の前記圧電膜が除去されている構成とすることができる。

上記構成において、前記挿入膜の音響インピーダンスは前記圧電膜より小さい構成とすることができる。

上記構成において、前記空隙または音響反射膜は、空気層である構成とすることができる。

上記構成において、前記空隙または音響反射膜は、前記圧電膜内を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜である構成とすることができる。

本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むフィルタである。

本発明は、上記フィルタを含むデュプレクサである。

本発明によれば、共振器の特性を向上させることができる。

図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１の直列共振器の製造方法を示す断面図である図３（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図３（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図３（ｃ）および図３（ｄ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図４（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図４（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図４（ｃ）および図４（ｄ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の平面図、図５（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図５（ｃ）および図５（ｄ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図６（ａ）は、実施例５に係る圧電薄膜共振器の平面図、図６（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図６（ｃ）および図６（ｄ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図７（ａ）は、実施例６に係る圧電薄膜共振器の平面図、図７（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図７（ｃ）および図７（ｄ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図８（ａ）は、実施例７に係る圧電薄膜共振器の平面図、図８（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図８（ｃ）および図８（ｄ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図９（ａ）は、実施例８の圧電薄膜共振器の断面図、図９（ｂ）は、実施例８の変形例１の圧電薄膜共振器の断面図である。図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、シミュレーションに用いた比較例１から３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、シミュレーションに用いた実施例１の変形例１から３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１２は、比較例１から３、実施例１の変形例１から３における反共振周波数のＱ値および電気機械結合係数ｋ^２を示す図である。図１３（ａ）は、実施例９に係るフィルタの回路図であり、図１３（ｂ）は、実施例９の変形例に係るデュプレクサの回路図である。

以下図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図１（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器を示している。

図１（ａ）および図１（ｃ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。シリコン（Ｓｉ）基板である基板１０上に、下部電極１２が設けられている。基板１０の平坦主面と下部電極１２との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙３０の周辺では空隙３０の高さが小さく、空隙３０の内部ほど空隙３０の高さが大きくなるような形状の膨らみである。下部電極１２は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａは例えばＣｒ（クロム）膜であり、上層１２ｂは例えばＲｕ（ルテニウム）膜である。

下部電極１２上に、（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂを備えている。下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８が設けられている。下部圧電膜１４ａ、挿入膜２８および上部圧電膜１４ｂが積層された多層膜が積層膜１５である。

圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域５０）を有するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。共振領域５０は、楕円形状を有し、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａは例えばＲｕ膜であり、上層１６ｂは例えばＣｒ膜である。

上部電極１６上には周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が形成されている。共振領域５０内の積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、上部電極１６および周波数調整膜２４を含む。周波数調整膜２４はパッシベーション膜として機能してもよい。

図１（ａ）のように、下部電極１２には犠牲層をエッチングするための導入路３３が形成されている。犠牲層は空隙３０を形成するための層である。導入路３３の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路３３の先端に孔部３５を有する。

図１（ｄ）を参照し、並列共振器Ｐの構造について説明する。並列共振器Ｐは直列共振器Ｓと比較し、上部電極１６の下層１６ａと上層１６ｂとの間に、Ｔｉ（チタン）層からなる質量負荷膜２０が設けられている。よって、積層膜１８は直列共振器Ｓの積層膜に加え、共振領域５０内の全面に形成された質量負荷膜２０を含む。その他の構成は直列共振器Ｓの図１（ｃ）と同じであり説明を省略する。

直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差は、質量負荷膜２０の膜厚を用い調整する。直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜２４の膜厚を調整することにより行なう。

２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、下部電極１２の下層１２ａを膜厚が１００ｎｍのＣｒ膜、上層１２ｂを膜厚が２００ｎｍのＲｕ膜とする。圧電膜１４を膜厚が１２００ｎｍのＡｌＮ膜とする。挿入膜２８を膜厚が３５０ｎｍのＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜とする。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向の中心に設けられている。上部電極１６の下層１６ａを膜厚が２３０ｎｍのＲｕ膜、上層１６ｂを膜厚が５０ｎｍのＣｒ膜とする。周波数調整膜２４を膜厚が５０ｎｍの酸化シリコン膜とする。質量負荷膜２０を膜厚が１２０ｎｍのＴｉ膜とする。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。

図１（ｂ）に示すように、空隙３０は、共振領域５０を含み、共振領域５０より大きい。挿入膜２８は、共振領域５０内には設けられておらず、共振領域５０の外輪郭６０に接して設けられている。中央領域は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の中央を含む領域である。中央は幾何学的な中心でなくてもよい。挿入膜２８は、共振領域５０外において空隙３０の外側まで連続して設けられている。挿入膜２８には、孔部３５に対応する孔部３４が設けられている。共振領域５０の外側の空隙３０と重なる領域５２においては、空隙３０、積層膜１５（すなわち圧電膜１４と挿入膜２８）が積層されている。

特許文献２に記載されているように、挿入膜２８のヤング率は圧電膜１４より小さいことが好ましい。密度がほぼ同じであれば、ヤング率は音響インピーダンスと相関することから、挿入膜２８の音響インピーダンスは圧電膜１４より小さいことが好ましい。これにより、Ｑ値を向上できる。また、挿入膜２８を金属膜とすることにより実効的電気機械結合係数を向上できる。さらに、挿入膜２８の音響インピーダンスを圧電膜１４より小さくするため、圧電膜１４が窒化アルミニウムを主成分とする場合、挿入膜２８は、Ａｌ膜、Ａｕ（金）膜、Ｃｕ（銅）膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ（白金）膜、Ｔａ（タンタル）膜、Ｃｒ膜または酸化シリコン膜であることが好ましい。特に、ヤング率の観点から挿入膜２８は、Ａｌ膜または酸化シリコン膜であることが好ましい。

基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、石英基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ基板等を用いることができる。下部電極１２および上部電極１６としては、ＲｕおよびＣｒ以外にもＡｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ（ロジウム）またはＩｒ（イリジウム）等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。例えば、上部電極１６の下層１６ａをＲｕ、上層１６ｂをＭｏとしてもよい。

圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰｂＴｉＯ₃（チタン酸鉛）等を用いることができる。また、例えば、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素として、Ｓｃ（スカンジウム）、２価の元素と４価の元素との２つの元素、または２価と５価との２つの元素を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上する。このため、圧電薄膜共振器の実効的電気機械結合係数を向上できる。２価の元素は、例えばＣａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）またはＺｎ（亜鉛）である。４価の元素は、例えばＴｉ、Ｚｒ（ジルコニウム）またはＨｆ（ハフニウム）である。５価の元素は、例えばＴａ、Ｎｂ（ニオブ）またはＶ（バナジウム）である。さらに、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、Ｂ（ボロン）を含んでもよい。

周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも窒化シリコン膜または窒化アルミニウム等を用いることができる。質量負荷膜２０としては、Ｔｉ以外にも、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＩｒ等の単層膜を用いることができる。また、例えば窒化シリコンまたは酸化シリコン等の窒化金属または酸化金属からなる絶縁膜を用いることもできる。質量負荷膜２０は、上部電極１６の層間（下層１６ａと上層１６ｂとの間）以外にも、下部電極１２の下、下部電極１２の層間、上部電極１６の上、下部電極１２と圧電膜１４との間または圧電膜１４と上部電極１６との間に形成することができる。質量負荷膜２０は、共振領域５０を含むように形成されていれば、共振領域５０より大きくてもよい。

図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１の直列共振器の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、平坦主面を有する基板１０上に空隙を形成するための犠牲層３８を形成する。犠牲層３８の膜厚は、例えば１０〜１００ｎｍであり、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＺｎＯ、Ｇｅ（ゲルマニウム）またはＳｉＯ_２（酸化シリコン）等のエッチング液またはエッチングガスに容易に溶解できる材料から選択される。その後、犠牲層３８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。犠牲層３８の形状は、空隙３０の平面形状に相当する形状であり、例えば共振領域５０となる領域を含む。次に、犠牲層３８および基板１０上に下部電極１２として下層１２ａおよび上層１２ｂを形成する。犠牲層３８および下部電極１２は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜される。その後、下部電極１２を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。下部電極１２は、リフトオフ法により形成してもよい。

図２（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に下部圧電膜１４ａを、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。下部圧電膜１４ａ上に挿入膜２８を、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。その後、挿入膜２８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。挿入膜２８は、リフトオフ法により形成してもよい。

図２（ｃ）に示すように、上部圧電膜１４ｂ、上部電極１６の下層１６ａおよび上層１６ｂを、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂから圧電膜１４が形成される。上部電極１６を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。上部電極１６は、リフトオフ法により形成してもよい。

なお、図１（ｄ）に示す並列共振器においては、上部電極１６の下層１６ａを形成した後に、質量負荷膜２０を、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。質量負荷膜２０をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。その後、上部電極１６の上層１６ｂを形成する。

周波数調整膜２４を例えばスパッタリング法またはＣＶＤ法を用い形成する。フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い周波数調整膜２４を所望の形状にパターニングする。

その後、孔部３５および導入路３３（図１（ａ）参照）を介し、犠牲層３８のエッチング液を下部電極１２の下の犠牲層３８に導入する。これにより、犠牲層３８が除去される。犠牲層３８をエッチングする媒体としては、犠牲層３８以外の共振器を構成する材料をエッチングしない媒体であることが好ましい。特に、エッチング媒体は、エッチング媒体が接触する下部電極１２がエッチングされない媒体であることが好ましい。積層膜１８（図１（ｃ）、図１（ｄ）参照）の応力を圧縮応力となるように設定しておく。これにより、犠牲層３８が除去されると、積層膜１８が基板１０の反対側に基板１０から離れるように膨れる。下部電極１２と基板１０との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成される。以上により、図１（ａ）および図１（ｃ）に示した直列共振器Ｓ、および図１（ａ）および図１（ｄ）に示した並列共振器Ｐが作製される。

実施例１においては、共振領域５０を囲む全ての領域において、空隙３０の外側の輪郭である外輪郭６２は、共振領域５０の外輪郭６０より外側に位置する。積層膜１５の内側の輪郭である内輪郭６４は共振領域５０の外輪郭６０に略一致する。このように、空隙３０は共振領域５０を含みかつ共振領域５０より大きい。共振領域５０の外輪郭６０の外側かつ空隙３０の外輪郭６２の内側の領域５２は、共振領域５０を完全に囲んでいる。領域５２の全てに積層膜１５が設けられている。このように、共振領域５０の外側で、空隙３０、積層膜１５が重なる領域５２は、共振領域５０の全周を囲んでいる。領域５２では、共振領域５０から漏れる弾性波を反射または減衰させる。このため、弾性波エネルギーの損失が小さくＱ値が構造する。さら、共振領域５０内に挿入膜２８が設けられていない。このため、共振領域５０内の積層膜１８の構成はほぼ均一である。よって、電気機械結合係数を向上できる。

図３（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図３（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図３（ｃ）および図３（ｄ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図３（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器を示している。

図３（ａ）から図３（ｄ）に示すように、共振領域５０を囲む領域のうち、上部電極１６を共振領域５０から引き出す引き出し領域７０において、空隙３０の外輪郭６２は、共振領域５０の外輪郭６０と略一致している。すなわち、上部電極１６の引き出し領域７０において、共振領域５０の外側に空隙３０は設けられていない。共振領域５０を囲む領域のうち、上部電極１６の引き出し領域７０以外の領域７２では、空隙３０の外輪郭６２は共振領域５０の外輪郭６０より外側に位置している。すなわち、空隙３０は共振領域５０より大きい。これにより、領域７２に、平面視で空隙３０と積層膜１５とが重なる領域５２が形成される。実施例２のように、領域５２は、共振領域５０の少なくとも一部を囲うように設けられていてもよい。その他の構成は実施例１と同じであり、説明を省略する。

図４（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図４（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図４（ｃ）および図４（ｄ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図４（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図４（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器を示している。

図４（ａ）から図４（ｄ）に示すように、共振領域５０を囲む領域のうち、上部電極１６の引き出し領域７０において、挿入膜２８は形成されていない。共振領域５０を囲む領域のうち上部電極１６の引き出し領域７２および下部電極１２の引き出し領域７４以外の領域において、空隙３０の外輪郭６２と積層膜１５の外輪郭とは略一致している。下部電極１２の引き出し領域７４において積層膜１５の外輪郭は、空隙３０の外輪郭６２より外側に位置する。実施例３のように、積層膜１５は、領域５２の外側には設けられていなくてもよい。実施例１のように、領域５２が共振領域５０の回りを全て囲んでいる場合において、積層膜１５は領域５２の外側には設けなくてもよい。その他の構成は実施例２と同じであり、説明を省略する。

図５（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の平面図、図５（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図５（ｃ）および図５（ｄ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図５（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器を示している。

図５（ａ）から図５（ｄ）に示すように、上部電極１６の引き出し領域７０において、積層膜１５の内輪郭６４は、共振領域５０の外輪郭６０および空隙３０の外輪郭６２と略一致している。共振領域５０を囲む領域のうち領域７０以外の領域７２において、積層膜１５の内輪郭６４は、共振領域５０の外輪郭６０の外側に位置する。実施例４のように、積層膜１５の内輪郭６４は、共振領域５０の外輪郭６０の外側に位置してもよい。実施例１のように、領域５２が共振領域５０の回りを全て囲んでいる場合において、積層膜１５の内輪郭６４の少なくとも一部は共振領域５０の外輪郭６０より外側に位置してもよい。

図６（ａ）は、実施例５に係る圧電薄膜共振器の平面図、図６（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図６（ｃ）および図６（ｄ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図６（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図６（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器を示している。

図６（ａ）から図６（ｄ）に示すように、共振領域５０を囲む領域のうち、上部電極１６の引き出し領域７０以外の領域７２において、空隙３０の外輪郭６２と上部圧電膜１４ｂの外輪郭６６とが略一致している。実施例５のように、領域５２外の上部圧電膜１４ｂは除去されていてもよい。空隙３０の外輪郭６２と上部圧電膜１４ｂの外輪郭６６とは一致していなくともよい。実施例１および２のように、共振領域５０の外輪郭６０と積層膜１５の内輪郭６４が略一致する場合に領域５２外の上部圧電膜１４ｂは除去されていてもよい。その他の構成は、実施例４と同じであり説明を省略する。

図７（ａ）は、実施例６に係る圧電薄膜共振器の平面図、図７（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図７（ｃ）および図７（ｄ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図７（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図７（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器を示している。

図７（ａ）から図７（ｄ）に示すように、共振領域５０囲む領域のうち、上部電極１６の引き出し領域７０以外の領域７２において、空隙３０の外輪郭６２と圧電膜１４の外輪郭６８とが略一致している。実施例６のように、領域５２外の圧電膜１４は除去されていてもよい。空隙３０の外輪郭６２と圧電膜１４の外輪郭６８とは一致していなくともよい。実施例１および２のように、共振領域５０の外輪郭６０と積層膜１５の内輪郭６４が略一致する場合に領域５２の外側圧電膜１４が除去されていてもよい。その他の構成は、実施例４と同じであり説明を省略する。

図８（ａ）は、実施例７に係る圧電薄膜共振器の平面図、図８（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、図８（ｃ）および図８（ｄ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図８（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図８（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器を示している。

図８（ａ）から図８（ｄ）に示すように、共振領域５０を囲む領域のうち、上部電極１６の引き出し領域７０以外の領域７２において、共振領域５０の外輪郭６０と圧電膜１４の外輪郭６８が略一致している。このように、領域７２において、共振領域５０外の圧電膜１４および挿入膜２８は除去されていてもよい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

上部電極１６の引き出し領域７０における弾性波エネルギーの共振領域５０外への漏洩は、挿入膜２８を含む領域５２を用い抑制し、領域７２における弾性波の漏洩は圧電膜１４を除去することにより行なう。これにより、共振領域５０を囲む領域からの弾性波エネルギーの漏洩を抑制できる。領域７２において、圧電膜１４の外輪郭６０は上部電極１６の外輪郭より内側に位置してもよい。

実施例８およびその変形例は、空隙の構成を変えた例である。図９（ａ）は、実施例８の圧電薄膜共振器の断面図、図９（ｂ）は、実施例８の変形例１の圧電薄膜共振器の断面図である。図９（ａ）に示すように、基板１０の上面に窪みが形成されている。下部電極１２は、基板１０上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０が、基板１０の窪みに形成されている。空隙３０は共振領域５０を含むように形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。空隙３０は、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。なお、下部電極１２の下面に絶縁膜が接して形成されていてもよい。すなわち、空隙３０は、基板１０と下部電極１２に接する絶縁膜との間に形成されていてもよい。絶縁膜としては、例えば窒化アルミニウム膜を用いることができる。

図９（ｂ）に示すように、共振領域５０の下部電極１２下に音響反射膜３１が形成されている。音響反射膜３１は、音響インピーダンスの低い膜３０ａと音響インピーダンスの高い膜３０ｂとが交互に設けられている。膜３０ａおよび３０ｂの膜厚は例えばそれぞれλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３０ａと膜３０ｂの積層数は任意に設定できる。例えば、音響反射膜３１は、基板１０中に音響インピーダンスの異なる膜が一層設けられている構成でもよい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１から７において、実施例８と同様に空隙３０を形成してもよく、実施例８の変形例１と同様に空隙３０の代わりに音響反射膜３１を形成してもよい。

実施例１から実施例８のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において空隙３０が基板１０と下部電極１２との間に形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）でもよい。また、実施例７の変形例１のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において下部電極１２下に圧電膜１４を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜３１を備えるＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）でもよい。

実施例１から実施例８およびその変形例において、共振領域５０が楕円形状の例を説明したが、他の形状でもよい。例えば、共振領域５０は、四角形または五角形等の多角形でもよい。

実施例１から８において、領域５２が共振特性に及ぼす影響について、２次元の有限要素法を用いシミュレーションした。シミュレーションに用いた各材料および膜厚は以下である。
下部電極１２：膜厚が０．１μｍのＣｒ膜、Ｃｒ膜上の膜厚が０．２μｍのＲｕ膜
圧電膜１４：膜厚が１．２６μｍのＡｌＮ膜
下部圧電膜１４ａ：膜厚が０．６３μｍのＡｌＮ膜
上部圧電膜１４ｂ：膜厚が０．６３μｍのＡｌＮ膜
挿入膜２８：膜厚が０．３５μｍの酸化シリコン膜
上部電極１６：膜厚が０．２３μｍのＲｕ膜

図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、シミュレーションに用いた比較例１から３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１０（ａ）に示すように、比較例１において、空隙３０の外輪郭６２は共振領域５０の外輪郭６０より外側に位置している。積層膜１５の内輪郭６４が共振領域５０の外輪郭６０より内側に位置している。比較例１では、共振領域５０内の外周領域７６ａに積層膜１５が設けられている。

図１０（ｂ）に示すように、比較例２において、共振領域５０を囲む領域７６ｂに挿入膜２８が設けられている。積層膜１５の内輪郭６４および上部圧電膜１４ｂの外輪郭６６は共振領域５０の外輪郭６０に略一致している。比較例２では、挿入膜２８は、共振領域５０の外側の領域７６ｂに設けられ、共振領域５０内に設けられていない。共振領域５０の外側に上部圧電膜１４ｂは設けられていない。このため、領域７６ｂには積層膜１５は設けられていない。

図１０（ｃ）に示すように、比較例３において、共振領域５０を囲む領域７６ｃに積層膜１５が設けられている。空隙３０の外輪郭６２は、共振領域５０の外輪郭６０および積層膜１５の内輪郭６４と略一致している。比較例３では、共振領域５０の外側の領域７６ｃに積層膜１５が設けられているが、空隙３０が設けられていない。

図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、シミュレーションに用いた実施例１の変形例１から３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１１（ａ）に示すように、実施例１の変形例１において、共振領域５０の外輪郭６０と積層膜１５の内輪郭６４は略一致している。積層膜１５は空隙３０の外輪郭６２より外側に広がっている。

図１１（ｂ）に示すように、実施例１の変形例２において、上部圧電膜１４ｂの外輪郭６６（すなわち積層膜１５の外輪郭６５）は、共振領域５０の外輪郭６０より外側、かつ空隙３０の外輪郭６２の内側に位置する。挿入膜２８および下部圧電膜１４ａは空隙３０の外輪郭６２の外側に広がっている。

図１１（ｃ）に示すように、実施例１の変形例３において、圧電膜１４の外輪郭６８（すなわち積層膜１５の外輪郭６５）は、共振領域５０の外輪郭６０より外側、かつ空隙３０の外輪郭６２の内側に位置する。

領域５２、７６ａ、７６ｂおよび７６ｃの幅を１．５μｍ、共振領域５０の幅を４２μｍとし、共振領域５０の中心（線７８）をミラー条件としてシミュレーションした。

図１２は、比較例１から３、実施例１の変形例１から３における反共振周波数のＱ値Ｑａおよび電気機械結合係数ｋ^２を示す図である。図１２に示すように、共振領域５０内の外周領域７６ａに積層膜１５を設けた比較例１より、共振領域５０の外側に積層膜１５と空隙３０とが重なる領域５２を設けた方が、反共振周波数のＱ値Ｑａおよび電気機械結合係数ｋ^２とも大きくなる。比較例２のように、共振領域５０の外側に空隙３０と重なる挿入膜２８を設けても、反共振周波数のＱ値および電気機械結合係数ｋ^２は向上しない。比較例３のように、共振領域５０の外側に積層膜１５を設けても空隙３０と重なっていなければ反共振周波数のＱ値および電気機械結合係数ｋ^２は向上しない。実施例１の変形例１から３のように、共振領域５０の外側において、積層膜１５と空隙３０の少なくとも一部が重なっていれば、反共振周波数のＱ値および電気機械結合係数ｋ^２は向上する。これは、積層膜１５と空隙３０が重なる領域５２において、共振領域５０から伝搬する弾性波が反射または減衰され、弾性波エネルギーの共振領域５０外への漏洩が抑制されるためと考えられる。

以上のように、実施例１から８によれば、下部電極１２下に、共振領域５０を含みかつ共振領域５０より大きな空隙３０が設けられている。積層膜１５は、共振領域５０の外輪郭６０の外側かつ空隙３０の外輪郭６２の内側にあって共振領域５０を囲む少なくとも一部に設けられている。積層膜１５が共振領域５０の外側で空隙３０と重なる領域５２において、弾性波が反射または減衰する。これにより、共振領域５０からの弾性エネルギーの漏洩を抑制できる。よって、Ｑ値等の特性を向上できる。

また、積層膜１５は、共振領域５０内には設けられていない。これにより、共振領域５０内の積層構造はほぼ均一となる。よって、電気機械結合係数を向上できる。なお、積層膜１５は、特性にほとんど影響しない範囲で共振領域５０内に設けられていてもよい。積層膜１５の内輪郭６４は、共振領域５０の外輪郭６０の内側に位置する場合、内輪郭６４と外輪郭６０の距離は、圧電膜１４内を共振領域５０から外側に向かって横方向に伝搬する弾性波の波長の１／４以下であることが好ましい。

領域５２の幅は、圧電膜１４内の横方向に伝搬する弾性波を効率よく反射するため、横方向に伝搬する弾性波の波長の１／４以上が好ましい。また、領域５２の幅を横方向に伝搬する弾性波の波長の１／４の奇数倍とほぼ等しくする。これにより、領域５２における弾性波の反射が大きくなる。よって、弾性波エネルギーの共振領域５０からの漏洩を効率よく抑制できる。

さらに、共振領域５０を囲む少なくとも一部において、積層膜１５の内輪郭６４は、共振領域５０の外輪郭６０に略一致する。これにより、積層膜１５が共振領域５０内に設けられないため電気機械結合係数を向上でき、かつ、積層膜１５が共振領域５０から離れていないため、弾性波エネルギーの共振領域５０からの漏洩を効率よく抑制できる。

共振領域５０を囲む少なくとも一部において、積層膜１５の内輪郭６４は、共振領域５０の外輪郭６０より外側に位置してもよい。弾性波エネルギーの共振領域５０からの漏洩を効率よく抑制する観点から、積層膜１５の内輪郭６４と共振領域５０の外輪郭６０との距離は、圧電膜１４内を横方向に伝搬する弾性波の波長以下が好ましく、１／４以下がより好ましい。

共振領域５０を囲む少なくとも一部において、積層膜１５の内輪郭６４は、空隙３０の外輪郭６２に略一致してもよいし、外輪郭６２より内側に位置してもよいし、外輪郭６２の外側に位置してもよい。

共振領域５０を囲む少なくとも一部において、空隙３０の外側の圧電膜１４を除去することができる。これにより、弾性波エネルギーの漏洩をより抑制できる。

空隙３０としては、空気からなる空気層を用いることができる。空気層により、圧電膜１４内を縦方向に伝搬する弾性波を効率よく反射させることができる。

実施例１から実施例８の空隙３０を実施例８の変形例の音響反射膜３１に代えることもできる。音響反射膜３１により、圧電膜１４内を伝搬する弾性波を効率よく反射することができる。

実施例９は、実施例１から８およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いたフィルタおよびデュプレクサの例である。図１３（ａ）は、実施例９に係るフィルタの回路図である。図１３（ａ）に示すように、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続されている。入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に、１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４が並列に接続されている。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４および１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４の少なくとも１に実施例１から８およびその変形例の弾性波共振器を用いることができる。実施例１から８およびその変形例の弾性波共振器を含むフィルタは、ラダー型フィルタ以外に多重モードフェイルとすることもできる。

図１３（ｂ）は、実施例９の変形例に係るデュプレクサの回路図である。図１３（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４４が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４６が接続されている。送信フィルタ４４は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４６は、共通端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ４４および受信フィルタ４６の少なくとも一方を実施例６のフィルタとすることができる。

フィルタが実施例１から８およびその変形例の圧電薄膜共振器を含む。これにより、共振器のＱ値が向上し、フィルタのスカート特性を向上できる。

また、送信フィルタ４４および受信フィルタ４６の少なくとも一方を実施例１から８およびその変形例の圧電薄膜共振器を含むフィルタとすることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかか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。

１０基板
１２下部電極
１４圧電膜
１４ａ下部圧電膜
１４ｂ上部圧電膜
１５積層膜
１６上部電極
２８挿入膜
３０空隙
３１音響反射膜
４４送信フィルタ
４６受信フィルタ
５０共振領域
５２領域

Claims

基板と、
前記基板上に設けられ、下部圧電膜と上部圧電膜とが積層された圧電膜と、
前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、
前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に挿入された挿入膜と、
を具備し、
前記下部電極下に、平面視において前記圧電膜、前記下部電極および前記上部電極が重なる領域で定義される共振領域を含みかつ前記共振領域より大きな空隙または音響反射膜が設けられ、
前記下部圧電膜、前記挿入膜および前記上部圧電膜が重なる積層膜は、前記共振領域の外輪郭の外側かつ前記空隙または音響反射膜の外輪郭の内側であって前記共振領域を囲む少なくとも一部に設けられ、前記共振領域内に設けられていない圧電薄膜共振器。
前記共振領域を囲む少なくとも一部において、前記積層膜の内輪郭は、前記共振領域の外輪郭に略一致する請求項１記載の圧電薄膜共振器。
前記共振領域を囲む少なくとも一部において、前記積層膜の内輪郭は、前記共振領域の外輪郭より外側に位置する請求項１記載の圧電薄膜共振器。
前記共振領域を囲む少なくとも一部において、前記積層膜の外輪郭は、前記空隙または音響反射膜の外輪郭より内側に位置する請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
前記共振領域を囲む少なくとも一部において、前記積層膜の外輪郭は、前記空隙または音響反射膜の外輪郭より外側に位置する請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
前記共振領域を囲む少なくとも一部において、前記空隙または音響反射膜の外側の前記圧電膜が除去されている請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
前記挿入膜の音響インピーダンスは前記圧電膜より小さい請求項１から６のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
前記空隙または音響反射膜は、空気層である請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
前記空隙または音響反射膜は、前記圧電膜内を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜である請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
請求項１から９のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
請求項１０記載のフィルタを含むデュプレクサ。