JP4944145B2 - 圧電薄膜共振子、フィルタ、通信モジュール、通信装置 - Google Patents
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Description
本願の開示は、圧電薄膜共振子に関する。また、圧電薄膜共振子を備えたフィルタ、通信モジュール、通信装置に関する。
近年、携帯電話等の移動体通信用のＲＦフィルタとして、ＳＡＷ（表面弾性波）フィルタやＢＡＷ（バルク弾性波）フィルタが広く使用されている。ＢＡＷフィルタは、圧電薄膜共振子から構成されている。圧電薄膜共振子は、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプとＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)タイプとがある。ＦＢＡＲは、基板上に、主要構成要素として、上部電極／圧電膜／下部電極の構造を有し、上部電極と下部電極が対向する部分の下部電極下に空隙が形成されている。ここで、空隙は、基板の表面あるいは内部に設けられた犠牲層のウェットエッチング、あるいは裏面からの基板のウェットエッチング、又はドライエッチング等により形成される。また、ＳＭＲは、上記の空隙の代わりに、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）の膜厚で積層し、音響反射膜として利用する構造を有する。
特に、ＢＡＷを用いたフィルタおよび分波器は高周波においてもＳＡＷに比べてＱ値が高く、従来のＳＡＷを用いるより低損失なものが得られると注目されている。しかし近年の移動体通信分野における低消費電力化の要求は厳しく、ＢＡＷを用いたフィルタおよび分波器においても更なる低損失化が要求されている。このような背景を受けて、圧電薄膜共振子の低損失化のための開発が活発になされている。
このようなＢＡＷを用いた圧電薄膜共振子の損失要因の１つとして、弾性波が上部電極と下部電極が対向した領域（以降、共振部と呼ぶ）の外側（以降、非共振部と呼ぶ）、つまり電気信号に再変換され得ない領域に漏れていき、損失となる現象がある。ここでは、この現象を「横方向漏れ」と呼ぶことにする。この横方向漏れの原因は、共振部と非共振部の音速の大小関係に起因するものである。横方向漏れが生じないための音速の大小関係は、使用される圧電膜材料のポアソン比で決定される。ポアソン比が１／３以上であれば共振部の音速が非共振部よりも遅く、ポアソン比が１／３以下であれば共振部の音速が非共振部よりも速い。
ここで、ポアソン比が１／３以上の材料で形成された圧電膜の場合、共振部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。逆に、ポアソン比が１／３以下の材料で形成された圧電膜の場合、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。現状の実用的な圧電薄膜共振子フィルタでは、圧電膜としてポアソン比が１／３以下であるＡｌＮが使用されており、横方向漏れの抑制が難しく、損失が増大してしまうという問題が生じていた。
特許文献には。波の横方向漏れを解決する手段として、共振部の圧電膜をパターニングし、パターニングされた圧電膜の外周の少なくとも一部を上部電極と下部電極とが対向する領域より内側に設ける共振子を開示している。特許文献が開示している共振子を用いれば、波の横方向漏れの閉じ込め効果が高くなる。
図１Ａは、特許文献に開示された圧電薄膜共振子の平面図である。図１Ｂは、図１ＡにおけるＺ−Ｚ部の断面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示す圧電薄膜共振子は、基板１０１上に、上部電極１０２と下部電極１０３と圧電膜１０４とを備えた積層膜が成膜されている。共振部Ｒ１０１は、上部電極１０２と下部電極１０３と圧電膜１０４とが重なった領域である。基板１０１における共振部Ｒ１０１の下部には、空隙１０５が形成されている。共振部Ｒ１０１の形状は方形である。
図１Ａ及び図１Ｂに示す圧電薄膜共振子は、共振部と非共振部の音速の大小関係が、弾性波の横方向漏れを引き起こす関係にあるとき、図１Ａ中の矢印で示したように、弾性波は圧電膜１０４を通じて共振部Ｒ１０１から非共振部Ｒ１０２に向かって横方向に漏れていく。そこで、非共振部Ｒ１０２の圧電膜１０４をパターニングし、パターニングされた圧電膜１０４外周の少なくとも一部（端部１０４ａ）が、上部電極１０２と下部電極１０３とが対向する領域で且つ上部電極１０２の外周部下面と接する部分より内側になるように形成した。これにより、上部電極１０２の端部１０２ａが圧電膜１０４に対して庇状となる。庇状の端部１０２ａを有する上部電極１０２が圧電膜１０４の振動を吸収し、下部電極１０３から横方向に漏れる弾性波を閉じ込める。
特開２００７−３００４３０号公報
しかし、図１に示す圧電薄膜共振子において、Ｑ値を高めるためには、圧電膜１０４のオーバーエッチング量を増加させ、庇状の端部１０２ａをより長く延伸することが必要となる。この場合、端部１０２ａの機械的強度を維持することが困難になる。したがって、端部１０２ａの機械的強度を確保しながらＱ値を高めることが困難であった。
本願に開示する圧電薄膜共振子は、基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記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圧電膜上に設けられた上部電極と、を備えた圧電薄膜共振子であって、前記上部電極の外周部の少なくとも一部が逆テーパ形状である。
本願に開示する圧電薄膜共振子の製造方法は、基板上に下部電極をパターン形成する工程と、前記基板および前記下部電極上に圧電膜を形成する工程と、前記圧電膜上の一部の領域に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層をパターニングする工程と、前記圧電膜上に上部電極を形成する工程と、前記圧電膜上に形成された前記犠牲層を除去する工程と、前記圧電膜をパターニングする工程とを含み、前記犠牲層をパターニングする工程において、前記犠牲層における前記上部電極の外周部と接する部分がテーパ状になるようにパターニングするものである。
本願の開示によれば、圧電薄膜共振子の横方向漏れを抑制し、Ｑ値を高めることができる。
本願の圧電薄膜共振子において、前記上部電極の前記外周部は、前記圧電膜の外周部の少なくとも一部と一致または近傍配置する構成とすることができる。このような構成とすることにより、上部電極の外周部の機械的強度を確保しながら、弾性波の横方向漏れを低減することができ、Ｑ値を高めることができる。
本願の圧電薄膜共振子において、前記上部電極と前記下部電極とが対向する領域は、楕円形である構成とすることができる。このような構成とすることによって、上部電極と下部電極とが対向する領域に定在波が発生するのを抑えることができ、通信帯域においてリップルが発生するのを抑えることができる。
本願の圧電薄膜共振子において、前記上部電極と前記下部電極とが対向する領域は、平行な二辺を含まない多角形である構成とすることができる。このような構成とすることによって、上部電極と下部電極とが対向する領域に定在波が発生するのを抑えることができ、通信帯域においてリップルが発生するのを抑えることができる。
（実施の形態）
〔１．圧電薄膜共振子の構成〕
図２Ａは、実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の平面図である。図１Ｂは、図１ＡにおけるＺ−Ｚ部の断面図である。圧電薄膜共振子は、基板１、上部電極２、下部電極３、圧電膜４を備えている。下部電極３は、基板１の表面に配されている。圧電膜４は、基板１及び下部電極３の上部に配されている。上部電極２は、圧電膜４の上部に配されている。圧電膜４は、上部電極２と下部電極３とに挟持されている。上部電極２と下部電極３とは、少なくとも一部が対向するように配され、その対向領域が共振部Ｒ１である。共振部Ｒ１は、図２Ａに示すように平面形状が方形である。基板１における共振部Ｒ１の下方には、空隙５が形成されている。
〔１．圧電薄膜共振子の構成〕
図２Ａは、実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の平面図である。図１Ｂは、図１ＡにおけるＺ−Ｚ部の断面図である。圧電薄膜共振子は、基板１、上部電極２、下部電極３、圧電膜４を備えている。下部電極３は、基板１の表面に配されている。圧電膜４は、基板１及び下部電極３の上部に配されている。上部電極２は、圧電膜４の上部に配されている。圧電膜４は、上部電極２と下部電極３とに挟持されている。上部電極２と下部電極３とは、少なくとも一部が対向するように配され、その対向領域が共振部Ｒ１である。共振部Ｒ１は、図２Ａに示すように平面形状が方形である。基板１における共振部Ｒ１の下方には、空隙５が形成されている。
上部電極２の外周部の少なくとも一部（図２Ａ及び図２Ｂに示す構成では端部２ａ）は、断面形状が逆テーパ形状に形成されている。端部２ａの角度θ１は、９０度以上とすることが好ましい。端部２ａにおける上部電極２の厚さ方向の下端２ｂは、圧電膜４の端部４ａと一致または近傍配置させている。なお、「上部電極２の外周部」とは、図２Ａにおいて太線で描画した部分を指し、上部電極２を主平面の法線方向から見た時の外周部に相当する。
このような構成とすることで、上部電極２が圧電膜４の振動を吸収し、弾性波Ｗ１及び圧電膜４の端部４ａで反射する反射波Ｗ２を、共振部Ｒ１内に閉じこめることができる。よって、下部電極３への弾性波の横方向漏れを大幅に低減することができ、Ｑ値を高めることができる。
さらに、上部電極２の端部２ａの角度θ１を９０度以上とし、下端２ｂと圧電膜４の端部４ａとを一致または近傍配置させることにより、庇状に突出した端部２ａに大きな機械的強度を必要としないため、端部２ａの突出量を大きく確保することができる。したがって、Ｑ値をさらに高めることができる。
ここで、圧電膜４の端部４ａでは、弾性波Ｗ１のほとんどを反射する。さらに、端部４ａで反射した弾性波（反射波Ｗ２）は、横方向漏れがないために共振部Ｒ１内に閉じ込められることになる。反射波Ｗ２が共振部Ｒ１内で横方向の定在波として存在した場合、通過帯域内にリップルを生じることがある。このようなリップルの発生を抑えるために、共振部の形状を方形以外の形状にすることが考えられる。図３Ａは、共振部Ｒ１１の形状を楕円形とした圧電薄膜共振子の平面図である。図３Ｂは、図３ＡにおけるＺ−Ｚ部の断面図である。図３Ａに示すように、共振部Ｒ１１の形状を楕円形とすることにより、横方向の共振条件が満たされなくなるため、共振部Ｒ１１内に横方向の定在波の発生を抑えることができる。
また、リップルの発生を抑えることができる構成として、図４Ａ及び図４Ｂに示す圧電薄膜共振子がある。図４Ａ及び図４Ｂに示す圧電薄膜共振子は、共振部Ｒ２１を、平行な二辺を含まない多角形（図示では五角形）とした。なお、図４Ａ及び図４Ｂに示す共振部Ｒ２１の形状は一例であり、平行な二辺を含まない多角形であれば、三角形や七角形などであってもよい。このような構成とすることで、横方向の共振条件が満たされなくなるため、共振部Ｒ２１内に横方向の定在波が発生するのを抑えることができる。
なお、圧電膜４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成することが好ましい。圧電膜４をＡｌＮで形成することにより、Ｑ値が良好な圧電薄膜共振子を実現することができる。
また、上部電極２及び下部電極３は、高音響インピーダンスの材料であるルテニウム（Ｒｕ）で形成することが好ましい。
また、空隙５は、図２Ａに示すように共振部Ｒ１の面積よりも広い面積とすることが好ましい。このような構成とすることにより、共振部自体が自由に振動できるようになり、Ｑ値の向上を図ることができる。
また、圧電薄膜共振子の電極膜としては、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）などを用いることができる。また、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）などを用いることができる。また、基板としては、シリコン（Ｓｉ）、ガラス等を用いることができる。
〔２．圧電薄膜共振子の製造方法〕
（実施例１）
以下、ＳｉＯ2膜を用いて上部電極２を成膜する製造方法について説明する。
（実施例１）
以下、ＳｉＯ2膜を用いて上部電極２を成膜する製造方法について説明する。
まず、図５Ａに示すように、シリコン（Ｓｉ）で形成された基板１上に、第一犠牲層１１である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をスパッタリング法または蒸着法を用いて形成する。基板１は、Ｓｉ基板以外にも石英基板、ガラス基板、ひ化ガリウム（ＧａＡｓ）基板等を用いることができる。特に、後述する空隙形成工程においては、基板をエッチングしないため、エッチングの難しい基板を用いることができる。第一犠牲層１１としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）等、エッチング液により容易に溶解できる材料が好ましい。
次に、図５Ｂに示すように、第一犠牲層１１を、露光技術とエッチング技術を用いて所定の形状にパターニングする。
次に、図５Ｃに示すように、下部電極３として、ルテニウム（Ｒｕ）／クロム（Ｃｒ）をスパッタリング法等により成膜する。
次に、図５Ｄに示すように、露光技術とエッチング技術により、犠牲層１１及び下部電極３を所望の形状にパターニングする。この時、下部電極３には犠牲層エッチング液導入路（不図示）が形成され、導入路の先端には空隙形成時に犠牲層をエッチングするためのエッチング液導入孔（不図示）が形成されていてもよい。
次に、図５Ｅに示すように、圧電薄４としてＡｌＮを、スパッタリング法等により成膜する。
次に、図５Ｆに示すように、第二犠牲層１２として酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜を、スパッタリング法等により、圧電膜４上に成膜する。第二犠牲層１２の膜厚は、上部電極２より厚く成膜することが望ましい。第二犠牲層１２の材料は、ＳｉＯ2に限定されず、上部電極２に対してエッチング選択性のある材料を採用することが好ましい。
次に、図５Ｇに示すように、露光技術とエッチング技術により、第二犠牲層１２をパターニングする。この時、第二犠牲層１２であるＳｉＯ2膜のエッチングは、ドライエッチングを用いることができる。また、第二犠牲層１２の端部が所定の角度θ２となるようにエッチングする。角度θ２は、９０度以上とすることが好ましい。
次に、図５Ｈに示すように、上部電極２としてＲｕを、スパッタリング法等により成膜する。
次に、図５Ｉに示すように、第二犠牲層１２であるＳｉＯ2膜を、ウェットエッチングにて除去する。これにより、少なくとも下部電極３と対向する部分を有するように上部電極２を形成し、且つ上部電極２の端部２ａを所望の角度θ１の逆テーパ形状になるように形成する。
次に、図５Ｊに示すように、露光技術とエッチング技術により、圧電膜４を所望の形状にパターニングする。この時、圧電膜４であるＡｌＮのエッチングは、ウェットエッチングを用い、上部電極２の端部２ａの下端２ｂと圧電膜４の端部４ａとが一致または近傍配置するようパターニングする。ここで、ＡｌＮのエッチングは、ドライエッチングを用いることができる。
次に、図５Ｋに示すように、バンプパッド１３を、リフトオフ法を用いて形成する。
最後に、図５Ｌに示すように、犠牲層エッチング液導入孔（不図示）から導入路を経て下部電極３の下へ犠牲層エッチング液を導入して、第一犠牲層１１を除去する。これにより、上部電極２と下部電極３とが対向する部分の下方に、ドーム状の膨らみを有する空隙１４が形成される。
なお、第一犠牲層１１をエッチングするためのエッチング液は、圧電薄膜共振子における犠牲層以外の部分（特に、エッチング液が接触する第一犠牲層１１上の電極材料）をエッチングしないエッチング液であることが好ましい。
また、下部電極３、圧電膜４および上部電極２からなる積層体（複合膜）の応力が圧縮応力となるような成膜条件とすることにより、第一犠牲層１１のエッチング終了時点で複合膜が膨れ上がり、下部電極３と基板１との間にドーム状の空隙１４を形成することができ、所望の圧電薄膜共振子を得ることができる。
なお、基板１、上部電極２、下部電極３、圧電膜４の各材料は上記に限定されず、上記従来例で示した他の材料でもよい。また、上記の物理的な空隙１４の代わりに、音響インピーダンスが高い膜と低い膜とを交互にλ／４（λ：弾性波の波長）の膜厚で積層し、音響反射膜を形成する構造とすることができる。
（実施例２）
以下、フォトレジストを用いて上部電極２を成膜する製造方法について説明する。
以下、フォトレジストを用いて上部電極２を成膜する製造方法について説明する。
まず、図６Ａに示すように、シリコン（Ｓｉ）で形成された基板１上に、第一犠牲層１１である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をスパッタリング法または蒸着法を用いて形成する。基板１は、Ｓｉ基板以外にも石英基板、ガラス基板、ひ化ガリウム（ＧａＡｓ）基板等を用いることができる。特に、後述する空隙形成工程においては、基板をエッチングしないため、エッチングの難しい基板を用いることができる。第一犠牲層１１としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）等、エッチング液により容易に溶解できる材料が好ましい。
次に、図６Ｂに示すように、第一犠牲層１１を、露光技術とエッチング技術を用いて所定の形状にパターニングする。
次に、図６Ｃに示すように、下部電極３として、ルテニウム（Ｒｕ）／クロム（Ｃｒ）をスパッタリング法等により成膜する。
次に、図６Ｄに示すように、露光技術とエッチング技術により、犠牲層１１及び下部電極３を所望の形状にパターニングする。この時、下部電極３には犠牲層エッチング液導入路（不図示）が形成され、導入路の先端には空隙形成時に犠牲層をエッチングするためのエッチング液導入孔（不図示）が形成されていてもよい。
次に、図６Ｅに示すように、圧電薄４としてＡｌＮをスパッタリング法等により成膜する。
次に、図６Ｆに示すように、圧電膜４上にフォトレジスト１５（実施例２における第二犠牲層）を塗布し、露光技術にてパターン形成する。この時、フォトレジスト１５の端部を所定の角度θ１１となるようにパターニングする。角度θ１１は、９０度以上とすることが好ましい。
次に、図６Ｇに示すように、上部電極２としてＲｕを、スパッタリング法等により成膜する。
次に、図６Ｈに示すように、第二犠牲層であるフォトレジスト１５を、有機溶剤等で除去する。これにより、少なくとも下部電極３と対向する部分を有するように上部電極２を形成し、且つ上部電極２の端部２ａを所望の角度θ１２の逆テーパ形状になるように形成することができる。角度θ１２は、９０度以上であることが好ましい。
次に、図６Ｉに示すように、露光技術とエッチング技術により、圧電膜４を所望の形状にパターニングする。この時、圧電膜４であるＡｌＮのエッチングは、ウェットエッチングを用い、上部電極２の端部２ａの下端２ｂと圧電膜４の端部４ａとが一致または近傍配置するようパターニングする。ここで、ＡｌＮのエッチングは、ドライエッチングを用いることができる。
次に、図６Ｊに示すように、バンプパッド１３を、リフトオフ法を用いて形成する。
最後に、図６Ｋに示すように、犠牲層エッチング液導入孔（不図示）から導入路を経て下部電極３の下へ犠牲層エッチング液を導入して、第一犠牲層１１を除去する。これにより、上部電極２と下部電極３とが対向する部分の下方に、ドーム状の膨らみを有する空隙１４が形成される。
なお、実施例１及び２において、共振部の下部に形成する空隙１４は、下部電極３と基板１との間に形成したが、基板１に形成してもよい。図７は、基板１に空隙を形成した圧電薄膜共振子の断面図である。図７に示す圧電薄膜共振子は、実施例１及び２に示すような犠牲層を形成せず、バンプパッド１３の形成工程まで経た後、基板１の裏面に上部電極２と下部電極３とが対向する領域を含むように開口したレジストパターンを形成する。次に、基板１の裏面側からＳＦ6によるエッチングとＣ4Ｆ8による側壁保護膜形成処理とを交互に繰り返して、側壁形状が基板１の表面（下部電極３等が形成された面）に対して略垂直になるようにドライエッチングを行う。これにより、上部電極２と下部電極３とが対向する部分の下側に、空隙５を形成することができる。
図８Ａは、上部電極の端部の角度とＱ値との関係をシミュレーションするために用いた圧電薄膜共振子のモデルである。図８Ｂは、上部電極の端部の角度αと***振周波数におけるＱ値（以下、***振Ｑと称する）との関係を示す特性図である。図８Ｂに示す特性は、汎用ＦＥＭ（有限要素法）ソフトを用いて、上部電極２の端部２ａの角度αを変化させ、圧電薄膜共振子の***振Ｑの計算結果をプロットしたものである。図８Ａに示すモデルとしては、上部電極２及び下部電極３はＲｕ、圧電膜４はＡｌＮとし、上部電極２の端部２ａの下端２ｂと圧電膜４の端部４ａとが一致または近傍配置している。これによると、***振Ｑは、角度αが９０度以下であれば比較的低い値であるが、角度αが９０度より大きくなることで、急激に値が大きくなることがわかる。このように、上部電極２の端部２ａの角度αが逆テーパ状（９０度よりも大きく）に形成されることで、圧電薄膜共振子の横方向漏れを抑制し、Ｑ値を高めることができる。また、この高いＱ値を有する圧電薄膜共振子を、フィルタあるいは分波器に適用した場合には、フィルタ特性の低損失化を図ることができる。
また、犠牲層１１の材料として感光性のある樹脂を用いることで、犠牲層の露光技術のみで犠牲層１１を所望の形状にパターン形成できることから、エッチング技術を行うことなく、パターン形成した犠牲層１１上に上部電極２を形成することができる。
また、犠牲層１１を除去する場合、有機溶剤等で容易に除去できることから、上部電極２とのエッチング選択性を考慮しなくてもよいため、上部電極２に用いる材料の選択肢を広げることができる。
〔３．フィルタの構成〕
図９は、実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を用いたフィルタの平面図である。図９に示すフィルタは、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４および並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３を、梯子形に接続したラダー型フィルタである。直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４および並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３が、実施の形態にかかる圧電薄膜共振子で構成されている。圧電薄膜共振子は、基板２１、上部電極２２ａ〜２２ｃ、下部電極２３ａ〜２３ｅ、圧電膜２４ａ〜２４ｃ、バンプパッド部２５ａ〜２５ｅを備えている。図９において、ドットハッチングを付している領域が共振部に相当し、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４および並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３に相当する。直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４および並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３における共振部の形状は、楕円形状とした。
図９は、実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を用いたフィルタの平面図である。図９に示すフィルタは、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４および並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３を、梯子形に接続したラダー型フィルタである。直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４および並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３が、実施の形態にかかる圧電薄膜共振子で構成されている。圧電薄膜共振子は、基板２１、上部電極２２ａ〜２２ｃ、下部電極２３ａ〜２３ｅ、圧電膜２４ａ〜２４ｃ、バンプパッド部２５ａ〜２５ｅを備えている。図９において、ドットハッチングを付している領域が共振部に相当し、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４および並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３に相当する。直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４および並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３における共振部の形状は、楕円形状とした。
実施の形態１にかかる圧電薄膜共振子をフィルタに備えることで、低損失なフィルタを実現することができる。
なお、本実施の形態では、圧電薄膜共振子をラダー型フィルタに備えた構成について説明したが、ラティス型フィルタなど他のフィルタにも適用することができる。
また、図９に示すフィルタにおいて、全ての直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３に本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を適用する必要はなく、少なくとも一つの共振子に本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を適用することで、低損失なフィルタを実現することができる。
〔４．通信モジュールの構成〕
図１０は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子またはフィルタを備えた通信モジュールの一例を示す。図１０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、デュープレクサ６２には、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子またはフィルタを備えたデュープレクサで実現することができる。
図１０は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子またはフィルタを備えた通信モジュールの一例を示す。図１０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、デュープレクサ６２には、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子またはフィルタを備えたデュープレクサで実現することができる。
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。
本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子、フィルタ、またはそれらを備えたデュープレクサを通信モジュールに備えることで、低損失の通信モジュールを実現することができる。
なお、図１０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電子部品を搭載しても、同様の効果が得られる。
〔５．通信装置の構成〕
図１１は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子、フィルタ、デュープレクサ、または前述の通信モジュール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１１に示す構成は、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）通信方式及びＷ−ＣＤＭＡ（Wideband Code Division 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１０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、デュープレクサ７３は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を備えたデュープレクサで実現することができる。
図１１は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子、フィルタ、デュープレクサ、または前述の通信モジュール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１１に示す構成は、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）通信方式及びＷ−ＣＤＭＡ（Wideband Code Division 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１０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、デュープレクサ７３は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を備えたデュープレクサで実現することができる。
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したりする。
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したりする。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。
本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子、フィルタ、デュープレクサ、または通信モジュールを通信装置に備えることで、低損失の通信装置を実現することができる。
〔６．実施の形態の効果、他〕
本実施の形態の圧電薄膜共振子は、上部電極２の端部２ａを圧電膜４の端部４ａから突出した庇状とし、端部２ａの下端２ｂを圧電膜４の端部４ａと一致または近傍に配置した。また、端部２ａと上部電極２の上面との角度を９０度以上とした。これにより、圧電膜４内を伝搬する弾性波を閉じこめることができ、損失を低下させることができるとともにＱ値を向上させることができる。また、庇状の端部２ａを延伸することができるので、さらにＱ値を高めることができる。
本実施の形態の圧電薄膜共振子は、上部電極２の端部２ａを圧電膜４の端部４ａから突出した庇状とし、端部２ａの下端２ｂを圧電膜４の端部４ａと一致または近傍に配置した。また、端部２ａと上部電極２の上面との角度を９０度以上とした。これにより、圧電膜４内を伝搬する弾性波を閉じこめることができ、損失を低下させることができるとともにＱ値を向上させることができる。また、庇状の端部２ａを延伸することができるので、さらにＱ値を高めることができる。
また、圧電膜４をオーバーエッチングする必要がないため、エッチング時間が短く、圧電薄膜共振子を形成している他の材料への悪影響が少ない。図１に示すような従来構成では、庇状の端部１０２ａを形成するために。圧電膜１０４をオーバーエッチングする必要がある。上部電極１０２と接する圧電膜１０４は、露出部分が少ないためエッチングレートが極端に低下し、オーバーエッチングにはかなりの時間を要する。また、エッチング時間の延長は、圧電薄膜共振子における他の構成材料に対しても悪影響を与える可能性が高くなる。本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子では、圧電膜４のオーバーエッチングが必要ないため、上記のような問題を回避することができる。
なお、実施の形態における基板１は、本発明の基板の一例である。実施の形態における上部電極２は、本発明の上部電極の一例である。実施の形態における下部電極３は、本発明の下部電極の一例である。実施の形態における圧電膜４は、本発明における圧電膜の一例である。実施の形態における端部２ａは、本発明の上部電極の外周部の一例である。
本願の開示は、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子（FBAR：Film Acoustic Bulk Resonator）、およびそれを用いたフィルタ、デュープレクサに有用である。
１ 基板
２ 上部電極
２ａ 端部
３ 下部電極
４ 圧電膜
２ 上部電極
２ａ 端部
３ 下部電極
４ 圧電膜
Claims (8)
- 基板と、
前記基板上に設けられた下部電極と、
前記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圧電膜上に設けられた上部電極と、を備えた圧電薄膜共振子であって、
前記上部電極の外周部の少なくとも一部が、前記圧電膜の端部から庇状に突出し、かつ、逆テーパ形状である、圧電薄膜共振子。 - 前記上部電極の前記外周部は、前記圧電膜の外周部の少なくとも一部と一致または近傍配置する、請求項１記載の圧電薄膜共振子。
- 前記上部電極と前記下部電極とが対向する領域は、楕円形である、請求項１または２記載の圧電薄膜共振子。
- 前記上部電極と前記下部電極とが対向する領域は、平行な二辺を含まない多角形である、請求項１または２記載の圧電薄膜共振子。
- 請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の圧電薄膜共振子を備えた、フィルタ。
- 請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の圧電薄膜共振子、または請求項５に記載のフィルタを備えた通信モジュール。
- 請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の圧電薄膜共振子、請求項５に記載のフィルタ、または請求項６に記載の通信モジュールを備えた、通信装置。
- 基板上に下部電極をパターン形成する工程と、
前記基板および前記下部電極上に圧電膜を形成する工程と、
前記圧電膜上の一部の領域に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層をパターニングする工程と、
前記圧電膜上に上部電極を形成する工程と、
前記圧電膜上に形成された前記犠牲層を除去する工程と、
前記圧電膜をパターニングする工程とを含み、
前記犠牲層をパターニングする工程において、前記犠牲層における前記上部電極の外周部と接する部分がテーパ状になるようにパターニングする、圧電薄膜共振子の製造方法。
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