JP4252584B2 - 圧電薄膜共振器およびフィルタ - Google Patents
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Description
本発明は、圧電薄膜共振子およびフィルタに関し、特に圧電薄膜共振子およびフィルタに関する。
携帯電話に代表される無線機器の急速な普及により、小型で軽量な共振器およびこれを組み合わせて構成したフィルタの需要が増大している。これまでは主として誘電体と表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタが使用されてきたが、最近では、特に高周波での特性が良好で、かつ小型化とモノリシック化が可能な素子である圧電薄膜共振器およびこれを用いて構成されたフィルタが注目されつつある。
圧電薄膜共振子の中には、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプとＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)タイプがある。特許文献１および２にはＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振子が開示されている。図１（ａ）および図１（ｂ）は従来のＦＢＡＲおよびＳＭＲを示す図である。空隙１８（ＦＢＡＲの場合）または音響多層膜（ＢＡＲの場合）を有する基板上に、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６が順次積層されている。空隙１８または音響多層膜は、圧電膜１４を挟み上部電極１６と下部電極１２とが対向する部分（以下、共振部２２とのいう）の下に形成されている。ＦＢＡＲにおける空隙１８は、Ｓｉ基板１０表面に設けた犠牲層のウェットエッチングにより、下部電極１２と基板１０との間に形成される。または、空隙１８は、基板１０裏面からのウェットまたはドライエッチング等により基板１０に形成される。ＳＭＲにおける音響多層膜は、音響インピーダンスが高い膜と低い膜を交互にλ/４（λ：弾性波の波長）の膜厚で積層されており、音響反射膜として利用される。
ここで、電極１２、１６としては、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。圧電膜としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、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１０としては、シリコン、ガラス等を用いることができる。
ＦＢＡＲやＢＡＷを用いた圧電薄膜共振子の損失要因の１つとして、図１（ａ）および図１（ｂ）の矢印のように、弾性波３０が共振部２２から外側（以下、非共振部）に漏れることがあげられる。このように、弾性波３０が電気信号に再変換されない領域（非共振部）に漏れてしまう。このため、損失が増大する。ここでは、この現象を弾性波３０の”横方向漏れ”と呼ぶ。弾性波３０の横方向漏れの要因の１つは、共振部２２と非共振部の音速の大小関係による。言い換えれば使用される圧電膜１４のポアソン比に起因する。圧電膜１４のポアソン比が１／３以上であれば共振部２２の音速が非共振部よりも遅い。一方、ポアソン比が１／３以下であれば共振部２２の音速が非共振部よりも速い。このため、ポアソン比１／３以上の圧電膜１４の場合、共振部２２に適当な質量付加を与えることで音速が周辺部よりも遅くなり、横方向漏れが比較的簡単に抑制できる。
しかしながら、圧電膜１４のポアソン比が１／３以下の場合、横方向漏れが生じない音速の関係が逆となり、簡単には横方向漏れを抑制できない。例えば、圧電薄膜共振子の圧電膜１４に用いられる窒化アルミニウムはポアソン比が１／３以下である。このため、横方向漏れの抑制が難しく、損失が増大してしまう。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、弾性波の横方向漏れを抑制し、低損失化することが可能な圧電薄膜共振子およびフィルタを提供することを目的とする。
本発明は、基板と、該基板上に設けられた下部電極と、該下部電極上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する部分を有するように前記圧電膜上に設けられた上部電極と、を具備し、前記対向する部分における前記圧電膜の外周の少なくとも一部は、前記上部電極と前記下部電極とが対向する領域の外周より内側に設けられ、前記対向する領域を形成する前記上部電極の端面の少なくとも一部は、前記上部電極の下面から傾いていることを特徴とする圧電薄膜共振子である。本発明によれば、圧電膜の端面が上部電極より内側に設けられている。このため、圧電膜の端面で弾性波が反射する上に庇状の上部電極が振動することで下部電極の振動を低減する。よって、弾性波の横方向漏れを抑制し、共振器を低損失化することができる。
上記構成において、前記上部電極の前記端面と前記上部電極の前記下面との内角は１５°以上である構成とすることができる。この構成によれば、弾性波の横方向漏れをより抑制し、共振器を低損失化することができる。
上記構成において、前記上部電極の前記端面と前記上部電極の前記下面との内角は２８°以上９０°以下である構成とすることができる。この構成によれば、弾性波の横方向漏れをより抑制し、共振器を低損失化することができる。
上記構成において、前記対向する領域における前記圧電膜の端面と前記圧電膜の下面との内角は５５°以上である構成とすることができる。この構成によれば、弾性波の横方向漏れをより抑制し、共振器を低損失化することができる。
上記構成において、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部分の外周の一部が楕円形の一部の辺である構成とすることができる。この構成によれば、弾性波が共振部内で横方向の定在波として存在することを抑制することができる。これにより、通過帯域内にリップルが発生することを抑制することができる。
上記構成において、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部分は非平行からなる多角形である構成とすることができる。この構成によれば、弾性波が共振部内で横方向の定在波として存在することを抑制することができる。これにより、通過帯域内にリップルが発生することを抑制することができる。
上記構成において、前記圧電膜は窒化アルミニウムを含む構成とすることができる。また、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ルテニウム膜を含む構成とすることができる。さらに、上記構成において、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部分の前記下部電極は、前記基板に設けられた空隙上に設けられている、または前記基板上に空隙を介し設けられている構成とすることができる。
本発明は、上記圧電薄膜共振子を有するフィルタである。本発明によれば、弾性波の横方向漏れを抑制し、フィルタを低損失化することができる。
本発明によれば、弾性波の横方向漏れを抑制し、低損失化することが可能な圧電薄膜共振子およびフィルタを提供することができる。
以下、図面を参照に本発明に係る実施例について説明する。
図２（ａ）および図２（ｂ）は実施例１に係る圧電薄膜共振子を示す図である。シリコン基板１０上に下部電極１２としてＲｕ膜とＣｒ膜との２層膜が設けられている。下部電極１２上に圧電膜１４としてＡｌＮ膜が設けられている。圧電膜１４を挟み前記下部電極と対向する部分（共振部２２）を有するように、圧電膜１４上に上部電極１６としてＲｕ膜が設けられている。下部電極１２上の圧電膜１４には、下部電極１２に電気的に接続するための開口部２０が設けられている。圧電膜１４を挟み上部電極１６と下部電極１２とが対向する共振部２２の下の基板１０には空隙１８または音響多層膜が設けられている。共振部２２における圧電膜１４の上面の外周１５の少なくとも一部（図２（ａ）の共振部２２の左側の外周）は、上部電極１６と下部電極１２とが対向して形成される領域Ｒ（実施例１では上部電極１６の下面）の外周１７より寸法ｄ内側に設けられている。上部電極１６および圧電膜１４の端面は圧電膜１４の下面に対し略垂直である。
下部電極１２、圧電膜１４、上部電極１６は、例えばスパッタリング法およびエッチングにより形成される。圧電膜１４の外周１５の一部は、例えば上部電極１６をマスクにウェットエッチングにより圧電膜１４を形成することにより、上部電極１６の外周１７より内側に形成することができる。空隙１８は、シリコン基板１０を塩素系のガスを用いドライエッチングすることにより略垂直の側壁を有するように形成することができる。
図３（ａ）および図３（ｂ）は比較例に係る圧電薄膜共振子を示す図である。実施例１に係る圧電薄膜共振子に比較し、圧電膜１４の左側の外周１５と上部電極１６の外周１７が略一致している。その他の構成は実施例１に係る圧電薄膜共振子と同じであり説明を省略する。
従来例、比較例、実施例１における弾性波の横方向漏れを調べるため、図４（ａ）から図４（ｃ）のようなモデルを用い、ＦＥＭ（有限要素法）を用い共振子の***振インピーダンスを計算した。図４（ａ）は従来例に相当するモデルであり、下部電極１２上に圧電膜１４が連続して設けられ、圧電膜１４上の一部に上部電極１６が設けられている。図４（ｂ）は比較例に相当するモデルであり、圧電膜１４と上部電極１６との端が一致している。図４（ｃ）は実施例１に相当するモデルであり、圧電膜１４の端は上部電極１６の端より寸法ｄ内側に形成されている。
図５はＦＥＭを用いた計算結果を示す図であり、横軸が従来例、比較例および実施例１であり、縦軸が***振インピーダンスＺａｒを示している。実施例１においては、寸法ｄを０から１．５μｍと振った結果を図示している。***振インピーダンスＺａｒが大きいことは、共振部２２内の弾性波３０の非共振部への横方向漏れが小さいことを示している。図５より、従来例、比較例、実施例１に従い、***振インピーダンスＺａｒが大きくなり、弾性波３０の共振部２２から非共振部への横方向漏れが抑制されていることがわかる。
比較例、実施例１に従い弾性波の横方向漏れが抑制される原因は以下のように考えられる。図３（ａ）および図３（ｂ）を参照に、比較例においては、圧電膜１４の外周１５の一部と上部電極１６の外周１７とが一致している。このため、圧電膜１４の外周１５で弾性波３０が反射されるため、共振部２２から非共振部への弾性波３０の（左側への）漏れが抑制される。しかしながら、下部電極１２を介して弾性波３２が非共振部へ漏れてしまう。したがって、弾性波の横方向漏れの抑制は不十分である。図２（ａ）および図２（ｂ）を参照に、実施例１においては、共振部２２の圧電膜１４の外周の一部が対向する領域Ｒの上部電極１６の外周の内側にある。つまり上部電極１６が圧電膜１４の外周１５の一部から庇状に延在している。この庇状の上部電極１６が振動することで下部電極１２の不要振動を抑制する。よって、比較例のような下部電極１２を介した弾性波３２の横方向漏れを抑制することができる。
実施例２は上部電極１６と下部電極１２とが対向して形成される領域Ｒの上部電極１６の端面２６少なくとも一部が上部電極１６の下面２５から傾いている例である。図６を参照に、圧電膜１４の端面２４および上部電極１６の端面２６が上部電極１６の下面２５から傾けられ形成されている。その他の構成は実施例１と同じである。ここで、上部電極１６と下部電極１２とが対向する領域Ｒにおいて、上部電極１６の端面２６と上部電極１６の下面２５との内角をα、圧電膜１４の端面２４と圧電膜１４の下面２７との内角をβ、圧電膜１４の端面２４の上端と上部電極１６の端面２６の下端との距離をｄとする。上部電極１６の端面２６はイオンミリング法を用い斜めよりエッチングすることにより、斜めに形成することができる。また、ウェットエッチング法を用い上部電極１６をマスクに圧電膜１４をエッチングすることにより、圧電膜１４の端面２４を斜めに形成し、かつ寸法ｄを大きくすることができる。
実施例２における***振インピーダンスをＦＥＭを用い形成した。図７は計算に用いたモデルである。上部電極１６の両側の端面２６が上部電極１６の下面２５に対し傾いている。また、圧電膜１４の両側の端面２４が圧電膜１４の下面２７に対し傾いている。
図８（ａ）から図９（ｄ）は、β＝５５°のとき、αが９０°、５８°、４０°、３５°、２８°、２５°、２２°および１５°のときの寸法ｄに対するＺａｒの計算結果を示した図である。ｄ＝０ではＺａｒは２０００から３０００Ωであるが、ｄが大きくなるとＺａｒは３０００から５０００Ωとなる。このように、αによらず、ｄが大きくなるとＺａｒは大きくなる傾向がある。
一方で、寸法ｄの加工ばらつきに起因するＺａｒのばらつきを抑制するため、Ｚａｒの寸法ｄの依存性は小さいことが好ましい。図８（ａ）よりα＝９０°においては、寸法ｄが０から大きくなるとＺａｒは２０００Ωから６０００Ωへと急激に大きくなる。これに対し、図８（ｂ）から図９（ｄ）では、Ｚａｒの寸法ｄ依存は図８（ａ）ほど大きくない。このように、αは９０°未満であることが好ましい。
図１０は、図８（ａ）から図９（ｄ）の結果を、αに対し示した図である。αが１５°を越えるとＺａｒが大きくなる。さらに、αが２８°以上となるとＺａｒはほぼ一定となる。このように、弾性波の横方向漏れを抑制するには、αが１５°以上であることが好ましく、２８°以上９０°未満であることがより好ましい。
図１１（ａ）から図１１（ｄ）は、それぞれα＝３５°およびβ＝５５°、α＝３５°およびβ＝９０°、α＝１５°およびβ＝５５°並びにα＝１５°およびβ＝９０°のときの寸法ｄに対するＺａｒの計算結果を示した図である。βが５５°の場合に比べβが９０°の場合はＺａｒは大きくなっている。図１２は、図１１（ａ）から図１１（ｄ）の結果を、図１０に重ねて示した図である。βが５５°のときの結果を黒丸、βが９０°のときの結果を白丸で示す。図１２のように、βを５５°から９０°とすることによりＺａｒが大きくなることがわかる。このように、βは５５°以上が好ましく、略９０°がより好ましい。
実施例３は上部電極１６と下部電極１２とが対向して形成される領域Ｒの圧電膜１４の端面２４の少なくとも一部が逆テーパ状に形成された例である。図１３を参照に、圧電膜１４の端面２４と圧電膜１４の下面２７との内角βは９０°より大きい。つまり端面２４は逆テーパ状に形成されている。圧電膜１４の端面２４は例えばイオンミリング法を用いエッチングすることにより逆テーパ状に形成することができる。その他の構成は実施例２と同じである。
図１４（ａ）から図１４（ｄ）はそれぞれα＝３５°およびβ＝５５°、α＝３５°およびβ=１２５°、α＝９０°およびβ＝５５°並びにα＝９０°およびβ=１２５°のときの寸法ｄに対するＺａｒを示した図である。αが３５°、９０°の場合、いずれもβを１２５°とすることによりＺａｒの寸法ｄに対する依存性が小さく、Ｚａｒが向上する。このように、端面２４を逆テーパ状、つまりβを９０°より大きくすることが好ましい。なお、実施例３においては、寸法ｄが０の場合もＺａｒを大きくすることができる。
実施例４は共振部の形状を楕円形または多角形とした例である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は実施例４に係る圧電薄膜共振子の平面図である。図１５（ａ）は共振部２２の外周の一部が楕円形の一部の辺である。図１５（ｂ）は共振部２２が非平行からなる多角形である。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４によれば、対角に平行な辺が存在しないため、圧電膜１４の外周１５で反射された弾性波が共振部２２内で横方向の定在波として存在することを抑制することができる。これにより、通過帯域内にリップルが発生することを抑制することができる。
実施例１から４の圧電薄膜共振子は、例えば、基板１０、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６は、背景技術において例示した材料を用いることができる。共振部２２の下部電極１２は、基板１０に設けられた空隙１８上に設けられている例であったが、共振部２２の下部電極１２は、基板１０上に空隙１８を介し設けられてもよい。また、共振子はＦＢＡＲには限られずＳＭＲであってもよい。さらに、実施例で示した図は共振子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の下に補強または空隙１８の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１６上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。
圧電膜１４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値の良好な共振子を実現することができる。下部電極１２および上部電極１６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。
実施例５は実施例１を含むフィルタの例である。図１６は実施例１に係る圧電薄膜共振子を直列腕共振子Ｓ１からＳ４および並列腕共振子Ｐ１からＰ３に用いたラダー型フィルタの例である。各部材は実施例１と同様であり説明を省略する。実施例２から実施例４の圧電薄膜共振子を用いることもできる。実施例５によれば、弾性波の横方向漏れを抑制し、フィルタを低損失化することができる。ラダー型フィルタの例を示したが他の構成のフィルタに適用することもできる。
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。
１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１５ 圧電膜の外周
１６ 上部電極
１７ 上部電極の外周
１８ 空隙
２２ 共振部
２４ 圧電膜の端面
２５ 上部電極の下面
２６ 上部電極の端面
２７ 圧電膜の下面
Ｒ 上部電極と下部電極とが対向する領域
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１５ 圧電膜の外周
１６ 上部電極
１７ 上部電極の外周
１８ 空隙
２２ 共振部
２４ 圧電膜の端面
２５ 上部電極の下面
２６ 上部電極の端面
２７ 圧電膜の下面
Ｒ 上部電極と下部電極とが対向する領域
Claims (10)
- 基板と、該基板上に設けられた下部電極と、該下部電極上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する部分を有するように前記圧電膜上に設けられた上部電極と、を具備し、
前記対向する部分における前記圧電膜の外周の少なくとも一部は、前記上部電極と前記下部電極とが対向する領域の外周より内側に設けられ、
前記対向する領域を形成する前記上部電極の端面の少なくとも一部は、前記上部電極の下面から傾いていることを特徴とする圧電薄膜共振子。 - 前記上部電極の前記端面と前記上部電極の前記下面との内角は１５°以上であることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振子。
- 前記上部電極の前記端面と前記上部電極の前記下面との内角は２８°以上９０°未満であることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振子。
- 前記対向する領域における前記圧電膜の端面と前記圧電膜の下面との内角は５５°以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
- 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部分の外周の一部が楕円形の一部の辺であ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圧電薄膜共振子。
- 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部分は非平行からなる多角形であ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圧電薄膜共振子。
- 前記圧電膜は窒化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
- 前記下部電極および前記上部電極の少なくとも一方はルテニウム膜を含む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圧電薄膜共振子。
- 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部分の前記下部電極は、前記基板に設けられた空隙上に設けられている、または前記基板上に空隙を介し設けられてい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圧電薄膜共振子。
- 請求項１から９のいずれか一項記載圧電薄膜共振子を有することを特徴とするフィルタ。
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