JP2014030136A - 弾性波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】圧電薄膜共振器毎に温度特性と電気的特性とを制御すること可能な弾性波デバイスを提供すること。
【解決手段】基板１０と、前記基板上に設けられた圧電膜１４と、前記圧電膜を挟んで対向した下部電極１２および上部電極１６と、前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する温度補償膜２８と、前記温度補償膜の上面および下面にそれぞれ形成され、互いに電気的に短絡した複数の導電膜と、を具備し、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域５０における前記温度補償膜の面積は、前記共振領域の面積とは異なる圧電薄膜共振器を備える弾性波デバイス。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性波デバイスに関し、例えば圧電薄膜共振器を備える弾性波デバイスに関する。

圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば無線機器等のフィルタ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。圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスとして、フィルタおよびデュプレクサがある。圧電薄膜共振器の圧電膜、下部電極および上部電極は、一般的に弾性定数の温度係数が負である。これにより、圧電薄膜共振器の共振周波数は、温度上昇とともに低周波数側にシフトする。このように、弾性波デバイスにおいては、共振周波数、***振周波数および通過帯域等が温度により変化する。

周波数の温度変化を抑制するために、圧電膜、下部電極および上部電極の温度係数とは逆の温度係数を有する酸化シリコン膜等の温度補償膜を積層膜中に挿入した圧電薄膜共振器が知られている（例えば、非特許文献１）。

温度補償膜を用いた際に、電界が温度補償膜に集中し励振効率が低下することを抑制するため、温度補償膜の上下面に互いに短絡した電極を設けた構造が知られている（例えば、特許文献１）。下部電極内に温度補償膜を埋め込んだ圧電薄膜共振器が知られている（例えば、特許文献２）。

特開昭６０−１６０１０号公報 米国特許出願公開第２０１１／０２６６９２５号明細書

Proc. IEEE Ultrasonics Symposium 2000, pp855-858

しかしながら、温度補償膜を使用した圧電薄膜共振器において、温度特性を改善するために温度補償膜を厚くすると、実効的電気機械結合係数が低下する。例えば圧電薄膜共振器を用いたフィルタにおいては、温度補償膜を厚くすることにより温度特性は改善するが、通過帯域のマッチングが悪化する。または、通過帯域の損失が悪化する。このように、温度特性と実効的電気機械結合係数とがトレードオフとなる。このため、例えば、同一弾性波デバイス内において、圧電薄膜共振器毎に温度特性と電気的特性とを制御することが難しい。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電薄膜共振器毎に温度特性と電気的特性とを制御すること可能な弾性波デバイスを提供す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た圧電膜と、前記圧電膜を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する温度補償膜と、前記温度補償膜の上面および下面にそれぞれ形成され、互いに電気的に短絡した複数の導電膜と、を具備し、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域における前記温度補償膜の面積は、前記共振領域の面積とは異なる圧電薄膜共振器を備える弾性波デバイスである。本発明によれば、圧電薄膜共振器毎に温度特性と電気的特性とを制御することが可能な弾性波デバイスを提供することができる。

上記構成において、前記下部電極および前記上部電極の少なくとも一方は前記導電膜を含む構成とすることができる。

上記構成において、前記温度補償膜は、酸化シリコンまたは窒化シリコンを主成分とする構成とすることができる。

上記構成において、前記温度補償膜は、酸化シリコンを主成分とし、Ｆ、Ｈ、ＣＨ_３、ＣＨ_２、Ｃｌ、Ｃ，Ｎ、ＰおよびＳのいずれかを含む構成とすることができる。

上記構成において、前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とする構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域において、前記基板と前記下部電極との間に空隙が形成されている構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域において、前記下部電極下に前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備する構成とすることができる。

上記構成において、前記温度補償膜の側面は上面の幅が下面より小さいテーパを有する構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域に対し、前記共振領域における前記温度補償膜の面積比が異なる複数の前記圧電薄膜共振器を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の圧電薄膜共振器を含むフィルタを備える構成とすることができる。

上記構成において、前記フィルタはラダー型フィルタであり、複数の前記圧電薄膜共振器は直接共振器と並列共振器とを含む構成とすることができる。

上記構成において、前記直列共振器と前記並列共振器との前記面積比の差により、前記直列共振器と前記並列共振器との共振周波数の差を形成する構成とすることができる。

上記構成において、前記フィルタを含むデュプレクサを備える構成とすることができる。

本発明によれば、圧電薄膜共振器毎に温度特性と電気的特性とを制御すること可能な弾性波デバイスを提供することができる。

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）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図２（ａ）は温度補償膜の一例を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図３（ａ）は絶縁膜の別の一例を示す平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１に係る並列共振器の製造方法を示す断面図（その１）である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施例１に係る並列共振器の製造方法を示す断面図（その２）である。 図６（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図７（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図７（ｂ）および図７（ｃ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図８（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の平面図、図８（ｂ）および図８（ｃ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図９（ａ）は、実施例４の変形例に係る圧電薄膜共振器の平面図、図９（ｂ）および図９（ｃ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１０は、実施例５に係るデュプレクサの回路図である。 図１１（ａ）は、受信フィルタの通過特性を示す図、図１１（ｂ）は、通過特性の受信帯域近傍の拡大図、図１１（ｃ）は、受信帯域近傍のアンテナからの信号のリターンロスを示す図である。 図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、それぞれタイプＡ、ＢおよびＣにおける各温度での通過特性を示す図である。 図１３（ａ）は、送信フィルタの通過特性を示す図、図１３（ｂ）は、通過特性の送信帯域近傍の拡大図、図１３（ｃ）は、送信帯域近傍のアンテナからの信号のリターンロスを示す図である。 図１４（ａ）から図１４（ｄ）は、それぞれタイプＤ、Ｅ、ＦおよびＧにおける各温度での通過特性を示す図である。

以下図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

実施例１は、弾性波デバイスに用いられる共振器の例である。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）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｂ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１（ｃ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。

図１（ａ）および図１（ｂ）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、基板１０の平坦主面との間に下部電極１２側にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されるように下部電極１２が設けられている。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の高さが高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および上層１６ｂは、例えばＲｕ膜である。下層１６ａと上層１６ｂとの間に、温度補償膜２８が設けられている。温度補償膜２８は、主成分を酸化シリコンとする膜である。酸化シリコンは、弾性定数の温度係数が正である。共振領域５０における温度補償膜２８の面積は共振領域５０の面積とは異なる。例えば、共振領域５０内の温度補償膜２８は、共振領域５０の面積より小さくなるようにパターニングされている。

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、温度補償膜２８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（ａ）および図１（ｂ）のように、圧電膜１４には下部電極１２と電気的に接続するための開口部３６が設けられている。開口部３６の底の下部電極１２上には外部接続用のＡｕ等のバンプ用下地膜が設けられていてもよい。

図１（ａ）および図１（ｃ）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と周波数調整膜２４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（ｂ）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。なお、質量負荷膜２０を用いず、共振領域５０に対する温度補償膜２８の面積比を、直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとで変えることにより、直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差を調整することもできる。例えば、並列共振器における共振領域５０内の温度補償膜２８の面積を直列共振器における共振領域５０内の温度補償膜２８の面積より大きくしてもよい。

図１（ｂ）および図１（ｃ）において、圧電膜１４の開口部３６側の外周が上部電極１６より内側に位置している。これにより、圧電膜１４内の弾性波が共振領域５０の外側に漏れることを抑制できる。また、圧電膜１４の外周の位置は、上部電極１６と一致していてもよいし、上部電極１６より大きくてもよい。

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（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｐｔ（白金）、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。上部電極１６を積層膜とした場合、積層膜の界面に温度補償膜２８を配置してもよい。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）を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上するため、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。

温度補償膜２８の弾性定数は、圧電膜１４の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数を有する。これにより、周波数温度係数を０に近づけることができる。圧電膜１４が窒化アルミニウムの場合、弾性定数の温度係数は負である。よって、温度補償膜２８としては、弾性定数の温度係数が正の材料を用いる。例えば酸化シリコン膜または窒化シリコン膜が弾性定数の温度係数が正である。酸化シリコン膜または窒化シリコン膜は化学量論的な組成でなくてもよい。また、温度補償膜２８は、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を主成分とし、共振特性の向上または温度特性の改善のため他の元素を含んでもよい。例えば、温度補償膜２８は、酸化シリコン膜を主成分とし、Ｆ（フッ素）、Ｈ（水素）、ＣＨ_３、ＣＨ_２、Ｃｌ（塩素）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｐ（燐）およびＳ（硫黄）のいずれかを含んでもよい。これにより、酸化シリコン膜の弾性定数の温度係数を大きくすることができる。よって、温度補償膜２８の膜厚を小さくできる。このため、温度補償膜２８のパターニング精度が向上する。また、実施例２および３のように、温度補償膜２８上に圧電膜１４を形成する場合、温度補償膜２８が薄いことにより圧電膜１４の配向性の劣化を抑制できる。

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。

温度補償膜２８の形状について説明する。図２（ａ）は温度補償膜の一例を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、共振領域５０内に温度補償膜２８が島状に形成されている。温度補償膜２８が形成されていない領域が開口２９である。温度補償膜２８の島は、周期的に設けられた円形状のドット状パターンである。

図３（ａ）は絶縁膜の別の一例を示す平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、共振領域５０内に開口２９を有する温度補償膜２８が形成されている。開口２９は周期的に設けられた円形状のドット状パターンを含む。さらに、ドット状パターンは線状パターンにより連結されている。線状パターンはジグザグに形成されている。

図２（ｂ）および図３（ｂ）に示すように、温度補償膜２８の側面は、上面の幅が下面の幅より小さくなるようなテーパ状を有している。温度補償膜２８は、上部電極１６内に設けられるため、テーパ状を有することにより、上部電極１６内の不要な空隙等を抑制できる。図２（ａ）および図３（ｂ）におけるドット状パターンは、円形状であるが、多角形等他の形状でもよい。ドット状パターンは、周期的に配列されておらず非周期的でもよい。また、線状パターンは、図３（ａ）以外の形状でもよい。温度補償膜２８は、全体に均一に設けられていることが好ましい。例えば、温度補償膜２８は、共振領域５０内にほぼ一様に形成されている。

共振領域５０内において、温度補償膜２８は島状に形成されていてもよく、温度補償膜２８に開口２９が形成されていてもよい。いずれの例においても、共振領域５０内の温度補償膜２８の形状は共振領域５０とは異なる。共振領域５０の面積Ａ０に対する共振領域５０内における温度補償膜２８の面積Ａ１の面積比Ａ１／Ａ０は、１より小さく、かつ０より大きい。面積比Ａ１／Ａ０を所定値以下とする場合は、温度補償膜２８を島状に形成し、面積比Ａ１／Ａ０を所定値以上とする場合は、温度補償膜２８に開口を形成することができる。例えば、面積比Ａ１／Ａ０が０より大きく、かつ０．５以下の場合は、温度補償膜２８を島状に形成し、面積比Ａ１／Ａ０が０．５以上、かつ１より小さい場合は、温度補償膜２８に開口を形成することができる。

面積比Ａ１／Ａ０が大きくなるに従い、周波数温度係数は正側にシフトする。共振周波数と実効的電気機械結合係数は小さくなる。よって、面積比Ａ１／Ａ０を変化させることにより、周波数温度係数、共振周波数および実効的電気機械結合係数等の諸特性を制御できる。複数の圧電薄膜共振器を備える弾性波デバイスにおいて、共振器ごとに面積比Ａ１／Ａ０を異ならせることは露光マスクの変更で容易に対応できる。

図４（ａ）から図５（ｂ）は、実施例１に係る並列共振器Ｐの製造方法を示す断面図である。図４（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、ＺｎＯ、ＧｅまたはＳｉＯ_２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４（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に圧電膜１４、上部電極１６の下層１６ａおよび温度補償膜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。温度補償膜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。このとき温度補償膜２８の側面は上面の幅が下面より小さいテーパを有する。

図４（ｃ）に示すように、上部電極１６の上層１６ｂおよび質量負荷膜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。直接共振器Ｓにおいては、質量負荷膜２０は完全に除去される。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。

図５（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い圧電膜１４を所望の形状にパターニングする。圧電膜１４のエッチングは、例えば燐酸を含む溶液を用い、圧電膜１４の外周の少なくとも一部が上部電極１６の外周より内側に位置するように行なう。これにより、共振特性を向上できる。圧電膜１４の外周の位置は、例えばエッチング時間により制御することができる。下部電極１２が開口部３６を介し露出される。よって、開口部３６を介し下部電極１２にＡｕ等のバンプを電気的に接続することができる。これにより、下部電極１２を外部回路と電気的に接続することができる。

図５（ｂ）に示すように、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（ｂ）に示した直列共振器Ｓ、および図１（ａ）および１（ｃ）に示した並列共振器Ｐが作製される。

実施例１によれば、温度補償膜２８は、圧電膜１４の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する。上部電極１６が温度補償膜２８の上面および下面にそれぞれ形成され、互いに電気的に短絡している。これにより、温度補償膜２８が共振特性に弾性的に寄与し、周波数温度係数を抑制できる。温度補償膜２８が上部電極１６（導電膜）に挟まれているため、電気的には温度補償膜２８の容量が寄与しない。よって、実効的電気機械結合係数を大きくできる。

さらに、共振領域５０における温度補償膜２８の面積Ａ１は、共振領域５０の面積Ａ０とは異なる。これにより、面積比Ａ１／Ａ０を変化させることにより、圧電薄膜共振器毎に、周波数温度係数等の温度特性と、共振周波数および実効的電気機械結合係数等の電気的特性と、を制御できる。

また、温度補償膜２８の上面および下面にそれぞれ形成され互いに短絡された導電膜として、上部電極１６を用いることができる。これにより、導電膜を形成する工程を簡略化できる。

また、実施例１においては、圧電膜１４を成膜する際の下地の凸凹を小さくできるため、後述する実施例２および３に比べ圧電膜１４を成膜する際の配向性を向上できる。

実施例２は、下部電極１２内に温度補償膜２８が形成された例である。図６（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図６（ｂ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図６（ｃ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。図６（ａ）から図６（ｃ）に示すように、下部電極１２は、下層１２ａ、中層１２ｃおよび上層１２ｂを含む。下層１２ａは、例えばＣｒ膜であり、中層１２ｃおよび上層１２ｂは例えばＲｕ膜である。温度補償膜２８は、下部電極１２の中層１２ｃと上層１２ｂとの間に配置されている。温度補償膜２８は、上部電極１６内には形成されていない。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２のように、温度補償膜２８の上面および下面にそれぞれ形成され互いに短絡された導電膜として、下部電極１２を用いることができる。実施例１および２のように、下部電極１２および上部電極１６の少なくとも一方は温度補償膜２８の上面および下面にそれぞれ形成され互いに短絡された導電膜を含むことができる。後述する実施例３においては、導電膜２６ａおよび２６ｂを上部電極１６および下部電極１２と別に形成することになる。一方、実施例１および２においては、導電膜２６ａおよび２６ｂを上部電極１６または下部電極１２として形成でき、工程を削減できる。さらに、実施例３においては、圧電膜１４を複数回に分けて形成することになる。一方、実施例１および２においては、圧電膜１４の形成は１回でよく、工程を削減できる。

実施例３は、温度補償膜２８が圧電膜１４内に形成された例である。図７（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図７（ｂ）および図７（ｃ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図７（ｂ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図７（ｃ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。図７（ａ）から図７（ｃ）に示すように、圧電膜１４内に温度補償膜２８が設けられている。温度補償膜２８の下面および上面にはそれぞれ導電膜２６ａおよび２６ｂが設けられている。導電膜２６ａおよび２６ｂは電気的に短絡している。導電膜２６ａおよび２６ｂは、例えばＲｕ膜である。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例３においては、温度補償膜２８および導電膜２６ａおよび２６ｂは、圧電膜１４の中央部に配置されることが好ましい。これにより、同じ温度特性を得るための温度補償膜２８の膜厚を最も薄くできる。温度補償膜２８および導電膜２６ａおよび２６ｂは、圧電膜１４の中央部に限らず、中央部より下部電極１２側または上部電極１６側に配置することもできる。この場合、温度補償膜２８の膜厚を適宜設定する。

実施例３においても、温度補償膜２８が共振特性に弾性的に寄与し、周波数温度係数を抑制できる。温度補償膜２８が導電膜２６ａおよび２６ｂに挟まれているため、電気的には温度補償膜２８の容量が寄与しない。よって、実効的電気機械結合係数を大きくできる。さらに、面積比Ａ１／Ａ０を変化させることにより、圧電薄膜共振器毎に、温度特性と電気的特性とを制御できる。

導電膜２６ａおよび２６ｂは、電気的に浮いている。例えばグランドから浮いている。これにより、温度補償膜２８を電気的により遮蔽することができる。また、製造コストの観点から、導電膜２６ａおよび２６ｂは、下部電極１２および上部電極１６の少なくとも一方に含まれる膜と同じ材料の膜を含むことが好ましい。さらに、実効的電気機械結合係数を大きくするため、導電膜２６ａおよび２６ｂはアルミニウムより大きなヤング率を有していることが好ましい。導電膜２６ａおよび２６ｂとしては、アルミニウムより大きなヤング率を有する材料として例えばＩｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｔ、ＴｉおよびＣｕの少なくとも１つを主成分とすることが好ましい。

実施例４は、空隙の構成を変えた例である。図８（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の平面図、図８（ｂ）および図８（ｃ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図８（ｂ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図８（ｃ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。図８（ａ）から図８（ｃ）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、実施例４において、実施例２と同様に下部電極１２内に温度補償膜２８が配置されていてもよい。実施例３と同様に圧電膜１４内に温度補償膜２８および導電膜２６ａおよび２６ｂが配置されていてもよい。

実施例４の変形例は、空隙の代わりに音響反射膜を設ける例である。図９（ａ）は、実施例４の変形例に係る圧電薄膜共振器の平面図、図９（ｂ）および図９（ｃ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図９（ｂ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図９（ｃ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。図９（ａ）から図９（ｃ）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。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。なお、実施例４の変形例において、実施例２と同様に下部電極１２内に温度補償膜２８が配置されていてもよい。実施例３と同様に圧電膜１４内に温度補償膜２８および導電膜２６ａおよび２６ｂが配置されていてもよい。

実施例１から４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４の変形例のように、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４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。

実施例５は弾性波デバイスとしてデュプレクサの例である。図１０は、実施例５に係るデュプレクサの回路図である。図１０に示すように、デュプレクサ１０４は、送信フィルタ６０および受信フィルタ６２を備えている。送信フィルタ６０は、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に接続されている。受信フィルタ６２は、共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に接続されている。

送信フィルタ６０においては、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に、直列共振器Ｓ１１からＳ１４が直列に接続されている。共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に、並列共振器Ｐ１１からＰ１３が並列に接続されている。並列共振器Ｐ１１からＰ１３のグランド側は共通にインダクタＬ１２を介し接地されている。送信端子Ｔｘは、インダクタＬ１１を介し接地されている。直列共振器、並列共振器およびインダクタ等の個数や接続は所望の送信フィルタ特性を得るため適宜変更可能である。

受信フィルタ６２においては、共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に、直列共振器Ｓ２１からＳ２４が直列に接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に、並列共振器Ｐ２１からＰ２４が並列に接続されている。並列共振器Ｐ２１からＰ２４のグランド側はそれぞれインダクタＬ２２からＬ２５を介し接地されている。受信端子Ｒｘは、インダクタＬ２１を介し接地されている。直列共振器、並列共振器およびインダクタ等の個数や接続は所望の受信フィルタ特性を得るため適宜変更可能である。

共通端子Ａｎｔは、アンテナ６４に接続されている。共通端子ＡｎｔはインダクタＬ１を介し接地されている。インダクタＬ１は、整合回路として機能する。整合回路は、インダクタＬ１の代わりに複数の素子を有してもよい。

直列共振器Ｓ１１からＳ１４、Ｓ２１から２４、並列共振器Ｐ１１からＰ１３、およびＰ２１からＰ２４の少なくとも１つに、実施例１から実施例４およびその変形例の少なくとも１つに係る圧電薄膜共振器を用いる。例えば、直列共振器および並列共振器の全てを、実施例１から実施例４およびその変形例に係る圧電薄膜共振器としてもよい。また、送信フィルタ６０および受信フィルタ６２のいずれか一方を弾性表面波フィルタとしてもよい。弾性表面波フィルタは、例えば多重モードフィルタでもよい。また、受信フィルタ６２は、バランス出力でもよい。受信フィルタ６２をバランス出力とする場合に、受信フィルタ６２としてＤＭＳ（Double Mode SAW）フィルタを用いることができる。

図１０に示したデュプレクサ１０４の共振器を実施例１の圧電薄膜共振器として、ＷＣＤＭＡ（Wide-band Code Division Multiple Access）のバンド２５のスペックに対するデュプレクサ特性を検討した。バンド２５は、送信帯域が１８５０ＭＨｚから１９１５ＭＨｚ、受信帯域が１９３０ＭＨｚから１９９５ＭＨｚである。

まず、タイプＡ、ＢおよびＣの３つのタイプの受信フィルタについてシミュレーションした。表１は、タイプＡ、ＢおよびＣの各共振器にける共振領域５０に対する温度補償膜２８の面積比Ａ１／Ａ０を示している。

表１に示すように、タイプＡは、比較例であり、全ての共振器の面積比Ａ１／Ａ０が１である。タイプＢは、並列共振器の面積比Ａ１／Ａ０が１であり、直列共振器の面積比Ａ１／Ａ０は、全て１以下であり、かつ直列共振器毎に面積比Ａ１／Ａ０が異なる。タイプＣは、直列共振器および並列共振器の面積比Ａ１／Ａ０は、全て１以下であり、かつ直列共振器内で面積比Ａ１／Ａ０が異なり、並列共振器内で面積比Ａ１／Ａ０が異なる。さらに、直列共振器と並列共振器とで面積比Ａ１／Ａ０が異なる。直列共振器の中で最も大きい面積比Ａ１／Ａ０は、並列共振器の中で最も小さい面積比Ａ１／Ａ０より小さい。

表２は、積層膜１８の各膜の材料と各タイプにおける膜厚を示す表である。

面積比Ａ１／Ａ０が変化すると共振周波数がシフトする。表２に示すように、共振周波数を所望の値とするため、上部電極１６の上層１６ｂ、温度補償膜２８、圧電膜１４および下部電極１２の上層１２ｂの膜厚を変えている。タイプＢおよびＣにおいては、直列共振器と並列共振器との共振周波数の差を面積比Ａ１／Ａ０の差により形成できるため質量負荷膜２０を用いていない。

表３は、各共振器の共振周波数を示す図である。

表４は、各共振器の周波数温度係数を示す図である。表４の周波数温度係数は、単位温度当りの共振周波数のシフトを示している。

表３および表４を参照し、面積比Ａ１／Ａ０が小さくなると、共振周波数が大きくなり、周波数温度係数が悪化する傾向がある。さらに、周波数温度係数と実効的電気機械係数とはトレードオフの関係がある。よって、面積比Ａ１／Ａ０が小さくなると、実効的電気機械係数は、大きくなる傾向がある。このように、面積比Ａ１／Ａ０を共振器毎に異ならせることにより、共振器毎に共振特性と温度特性とを制御することができる。

図１１（ａ）は、受信フィルタの通過特性を示す図、図１１（ｂ）は、通過特性の受信帯域近傍の拡大図、図１１（ｃ）は、受信帯域近傍のアンテナからの信号のリターンロスを示す図である。図１１（ａ）から図１１（ｃ）において、タイプＡを点線、タイプＢを破線、タイプＣを実線で示している。図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、タイプＡに比べ、タイプＢ、タイプＣとなるに従い受信帯域中央のマッチングが改善している。また、タイプＡ、ＢおよびＣの順に受信帯域の損失が改善している。また、受信帯域の低帯域側のスカート特性として、減衰量が−２．５ｄＢから−４８ｄＢに遷移する周波数の遷移幅を比較すると、タイプＡ、ＢおよびＣにおいて、それぞれ１４．４ＭＨｚ、１２．９ＭＨｚおよび１１．１ＭＨｚである。このように、スカート特性は、タイプＡ、ＢおよびＣの順に改善している。図１１（ｃ）に示すように、タイプＡ、ＢおよびＣの順にリターンロスが改善している。

図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、それぞれタイプＡ、ＢおよびＣにおける各温度での通過特性を示す図である。図１２（ａ）から図１２（ｃ）において、点線、破線および実線はそれぞれ温度が−２０℃、２５℃および８５℃における通過特性を示している。図１２（ａ）から図１２（ｃ）のように、タイプＡに比べタイプＢおよびＣでは温度特性が改善している。例えば、ガードバンド側の１９３０ＭＨｚにおける−２５℃と８５℃の損失の差は、タイプＡ、ＢおよびＣにおいてそれぞれ０．５９ｄＢ、０．４２ｄＢおよび０．４４ｄＢである。

次に、タイプＤ、Ｅ、ＦおよびＧの４つのタイプの送信フィルタについてシミュレーションした。表５は、タイプＤからＧの各共振器にける共振領域５０に対する温度補償膜２８の面積比Ａ１／Ａ０を示している。

表５に示すように、タイプＤは、比較例であり、全ての共振器の面積比Ａ１／Ａ０が１である。タイプＥは、直列共振器の面積比Ａ１／Ａ０が１であり、並列共振器の面積比Ａ１／Ａ０は、全て１以下であり、かつ並列共振器毎に面積比Ａ１／Ａ０が異なる。タイプＦおよびＧは、直列共振器および並列共振器の面積比Ａ１／Ａ０は、全て１以下であり、かつ直列共振器内で面積比Ａ１／Ａ０が異なり、並列共振器内で面積比Ａ１／Ａ０が異なる。タイプＦは、直列共振器と並列共振器とで面積比Ａ１／Ａ０がほぼ同じである。タイプＧは、直列共振器と並列共振器とで面積比Ａ１／Ａ０が異なる。

表６は、積層膜１８の各膜の材料と各タイプにおける膜厚を示す表である。

表６に示すように、共振周波数を所望の値とするため、上部電極１６の上層１６ｂ、温度補償膜２８、圧電膜１４、下部電極１２の上層１２ｂおよび下層１２ａの膜厚を変えている。タイプＥは、並列共振器の面積比Ａ１／Ａ０を１より小さくしたため、質量負荷膜２０の膜厚をタイプＤより厚くしている。タイプＦは、直列共振器と並列共振器の面積比Ａ１／Ａ０がほぼ同じであるため、質量負荷膜２０の膜厚はタイプＤと同じである。タイプＧにおいては、直列共振器と並列共振器との共振周波数の差を面積比Ａ１／Ａ０の差により形成できるため質量負荷膜２０を用いていない。

図１３（ａ）は、送信フィルタの通過特性を示す図、図１３（ｂ）は、通過特性の送信帯域近傍の拡大図、図１３（ｃ）は、送信帯域近傍のアンテナからの信号のリターンロスを示す図である。図１３（ａ）から図１３（ｃ）において、タイプＤを点線、タイプＥを破線、タイプＦを一点鎖線、タイプＧを実線で示している。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、タイプＤに比べ、タイプＥ、Ｆ、Ｇにおいて送信帯域中央のマッチングが改善している。また、タイプＦ、Ｇにおいて送信帯域の低周波数側のマッチングが改善している。タイプＤに比べタイプＥ、ＦおよびＧにおいて送信帯域中央の損失が改善している。さらに、タイプＧにおいて送信帯域の低周波数側の損失が改善している。

図１４（ａ）から図１４（ｄ）は、それぞれタイプＤ、Ｅ、ＦおよびＧにおける各温度での通過特性を示す図である。図１４（ａ）から図１４（ｄ）において、点線、破線および実線はそれぞれ−２０℃、２５℃および８５℃における通過特性を示している。図１４（ａ）から図１４（ｄ）を参照し、ガードバンド側の１９１５ＭＨｚにおける−２５℃と８５℃の損失の差は、タイプＤ、Ｅ、ＦおよびＧにおいてそれぞれ０．４４ｄＢ、０．３７ｄＢ、０．３８ｄＢおよび０．４５ｄＢである。このように、タイプＤに比べタイプＥおよびＦでは、温度特性が改善している。

実施例５によれば、弾性波デバイスが面積比Ａ１／Ａ０が１より小さく０より大きい範囲で異なる複数の圧電薄膜共振器を備える。これにより、共振器毎に共振特性と温度特性とを制御することができる。よって、弾性波デバイスの電気的特性と温度特性とを向上させることができる。

実施例５の送信フィルタ６０および受信フィルタ６２のように、面積比Ａ１／Ａ０が１より小さく０より大きい範囲で異なる複数の圧電薄膜共振器を備える。例えば、少なくとも２つの圧電薄膜共振器において、面積比Ａ１／Ａ０を１より小さく０より大きい範囲で異ならせてもよい。これにより、送信フィルタ６０および受信フィルタ６２の通過帯域内の損失および温度特性を改善することができる。

また、送信フィルタ６０および受信フィルタ６２の少なくとも一方がラダー型フィルタの場合、直列共振器および並列共振器が面積比Ａ１／Ａ０が１より小さく０より大きい範囲で異なる複数の圧電薄膜共振器を備えてもよい。また、直列共振器の面積比Ａ１／Ａ０を１とし、複数の並列共振器内で面積比Ａ１／Ａ０を１より小さく０より大きい範囲で異ならせてもよい。並列共振器の面積比Ａ１／Ａ０を１とし、複数の直列共振器内で面積比Ａ１／Ａ０を１より小さく０より大きい範囲で異ならせてもよい。複数の直列共振器内で面積比Ａ１／Ａ０を１より小さく０より大きい範囲で異ならせ、かつ複数の並列共振器内で面積比Ａ１／Ａ０を１より小さく０より大きい範囲で異ならせてもよい。

例えば、受信フィルタ６２および送信フィルタ６０のガードバンド側のスカート特性は温度変化が少ないことが好ましい。例えば、バンド２５（送信帯域が１８５０ＭＨｚから１９１５ＭＨｚ、受信帯域が１９３０ＭＨｚから１９９５ＭＨｚ）のように、ガードバンドが狭い場合、スカート特性の温度変化が小さいことが好ましい。よって、受信フィルタ６２と送信フィルタ６０とのうち通過帯域の高い方のフィルタは、並列共振器の面積比Ａ１／Ａ０を大きくすることが好ましい。受信フィルタ６２と送信フィルタ６０とのうち通過帯域の低い方のフィルタは、直列共振器の面積比Ａ１／Ａ０を大きくすることが好ましい。さらに、通過帯域幅を広くするためには、実効的電気機械結合係数が大きい方が好ましい。よって、通過帯域の高い方のフィルタの直列共振器の面積比を小さくすることが好ましい。通過帯域の低い方のフィルタの並列共振器の面積比を小さくすることが好ましい。

さらに、タイプＣ、ＦおよびＧのように、直列共振器と並列共振器との両方の共振器の面積比Ａ１／Ａ０を１より小さくしてもよい。

さらに、直列共振器と並列共振器との面積比Ａ１／Ａ０の差により、直列共振器と並列共振器と共振周波数の差を形成することができる。これにより、質量負荷膜２０を省略することができる。

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
１６ 上部電極
２６ａ、２６ｂ 導電膜
２８ 温度補償膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
５０ 共振領域

Claims (13)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた圧電膜と、
   前記圧電膜を挟んで対向した下部電極および上部電極と、
   前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する温度補償膜と、
   前記温度補償膜の上面および下面にそれぞれ形成され、互いに電気的に短絡した複数の導電膜と、
   を具備し、
   前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域における前記温度補償膜の面積は、前記共振領域の面積とは異なる圧電薄膜共振器を備える弾性波デバイス。
2. 前記下部電極および前記上部電極の少なくとも一方は前記導電膜を含むことを特徴とする請求項１記載の弾性波デバイス。
3. 前記温度補償膜は、酸化シリコンまたは窒化シリコンを主成分とすることを特徴とする請求項１または２記載の弾性波デバイス。
4. 前記温度補償膜は、酸化シリコンを主成分とし、Ｆ、Ｈ、ＣＨ_３、ＣＨ_２、Ｃｌ、Ｃ，Ｎ、ＰおよびＳのいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２記載の弾性波デバイス。
5. 前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
6. 前記共振領域において、前記基板と前記下部電極との間に空隙が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
7. 前記共振領域において、前記下部電極下に前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
8. 前記温度補償膜の側面は上面の幅が下面より小さいテーパを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
9. 前記共振領域に対し、前記共振領域における前記温度補償膜の面積比が異なる複数の前記圧電薄膜共振器を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
10. 前記複数の圧電薄膜共振器を含むフィルタを備えることを特徴とする請求項９記載の弾性波デバイス。
11. 前記フィルタはラダー型フィルタであり、複数の前記圧電薄膜共振器は直接共振器と並列共振器とを含むことを特徴とする請求項１０記載の弾性波デバイス。
12. 前記直列共振器と前記並列共振器との前記面積比の差により、前記直列共振器と前記並列共振器との共振周波数の差を形成することを特徴とする請求項１１記載の弾性波デバイス。
13. 前記フィルタを含むデュプレクサを備えることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項記載の弾性波デバイス。

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