JP6423782B2 - 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、圧電薄膜共振器およびフィルタに関する。
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おける圧電膜に挿入膜を挿入することが記載されている。特許文献３には、共振領域の外周領域における圧電膜に空隙を挿入することが記載されている。
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、共振領域からの弾性波エネルギーの漏洩を十分に抑圧することは難しく、Ｑ値の向上が不十分である。
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た下部電極および上部電極と、前記上部電極と前記下部電極とが対向する共振領域内に少なくとも挟まれ、前記共振領域の中央である中央領域を囲む少なくとも一部の領域において、圧電膜に亀裂または空隙が設けられた前記圧電膜と、を備え前記亀裂または空隙は、前記下部電極の端部を起点に設けられ、前記中央領域を囲む他の領域には設けられておらず、前記下部電極下に別の空隙が設けられ、前記亀裂または空隙は、前記下部電極の端部と前記別の空隙の端部とが略一致した領域に設けられている圧電薄膜共振器である。
上記構成において、前記圧電膜中に挿入され、前記共振領域内の外周領域の少なくとも一部に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜を備える構成とすることができる。
本発明は、前記基板上に設けられた下部電極および上部電極と、前記上部電極と前記下部電極とが対向する共振領域内に少なくとも挟まれ、前記共振領域の中央である中央領域を囲む少なくとも一部の領域において、圧電膜に亀裂または空隙が設けられた前記圧電膜と、前記圧電膜中に挿入され、前記共振領域内の外周領域の少なくとも一部に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、を備え前記亀裂または空隙は、前記下部電極の端部を起点に設けられ、前記中央領域を囲む他の領域には設けられておらず、前記亀裂または空隙は、前記挿入膜上および下に設けられた前記圧電膜に設けられている圧電薄膜共振器である。
上記構成において、前記亀裂または空隙は、前記挿入膜下に設けられた前記圧電膜に設けられ、前記挿入膜上に設けられた前記圧電膜に設けられていない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。
本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むフィルタである。
本発明によれば、圧電薄膜共振器の特性を向上させることができる。
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。
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、挿入膜２８、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。圧電膜１４には、下部電極１２が露出する開口３６が設けられている。開口３６は下部電極１２と外部とを電気的に接続するために用いられる。
共振領域５０の外周（すなわち、共振領域５０と共振領域５０の外との境界）の一部において、圧電膜１４および挿入膜２８を膜厚方向に貫通する不連続部２６が形成されている。不連続部２６は、例えば圧電膜１４および挿入膜２８の亀裂または空隙等である。不連続部２６においては弾性波の伝搬が抑制される。
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１２６０ｎｍのＡｌＮ膜とする。挿入膜２８を膜厚が１５０ｎｍのＳｉＯ２（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、挿入膜２８は、共振領域５０内の外周領域５２に設けられ中央領域５４に設けられていない。外周領域５２は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の外周を含み外周に沿った領域である。外周領域５２は、例えば帯状およびリング状である。中央領域５４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、外周領域５２に加え共振領域５０を囲む領域５６に設けられている。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ＳｉＯ２（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。挿入膜２８の端部をテーパ状とすることで、挿入膜２８上に形成される下部圧電膜１４ａおよび上部電極１６に亀裂が形成されることを抑制できる。
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。このとき、下部電極１２の先端と犠牲層３８の先端とを略一致させることで、圧縮応力に起因し圧電膜１４内に亀裂が形成される。亀裂により、共振領域５０と共振領域５０外との境界に圧電膜１４の不連続部２６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に係る発電薄膜共振器の特性を２次元の有限要素法を用いシミュレーションした。図３（ａ）および図３（ｂ）はシミュレーションした比較例１および実施例１の断面を示す図である。図３（ｃ）はシミュレーション結果を示す図である。
図３（ａ）に示すように、比較例１において、外周領域５２および領域５６に挿入膜２８が設けられている。下部電極１２の先端はテーパ状である。共振領域５０と領域５６との間の圧電膜１４は連続している。図３（ｂ）に示すように、共振領域５０と領域５６との間に不連続部２６が形成され、圧電膜１４は不連続である。下部電極１２は、膜厚が１００ｎｍのＣｒ膜からなる下層と膜厚が２５０ｎｍのＲｕからなる上層とした。圧電膜１４は膜厚が１２６０ｎｍのＡｌＮ膜とした。挿入膜２８は圧電膜１４の膜厚方向の真ん中に設けられ、膜厚が１００ｎｍのＳｉＯ２膜とした。上部電極１６は、膜厚が２３０ｎｍのＲｕ膜とした。外周領域５２および領域５６の幅はそれぞれ２．５μｍおよび４μｍとした。
図３（ｃ）に示すように、共振周波数におけるＱ値Ｑｒ、***振周波数におけるＱ値Ｑａおよび実効的電気機械結合係数ｋ２とも、実施例１は比較例１より大きい。これは、不連続部２６により、共振領域５０からの弾性波エネルギーの漏洩を抑制できたためと考えられる。
図２（ａ）から図２（ｃ）の製造方法を用い、実施例１および比較例１に係る圧電薄膜共振器を作製した。各膜の材料および膜厚は図１（ａ）から図１（ｃ）において、２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器として例示したものである。実施例１では、図１（ａ）に示した不連続部２６を形成する領域において、犠牲層３８と下部電極１２とをほぼ一致させた。比較例１では、犠牲層３８を下部電極１２より外側に位置させた。これにより、実施例１では、不連続部２６が形成され、比較例１では、不連続部２６は形成されない。
図４は、比較例１および実施例１に係る圧電薄膜共振器の測定した特性を示す図である。図４に示すように、実施例１は比較例１に比べ、共振周波数および***振周波数におけるＱ値ＱｒおよびＱａともに大きい。実施例１と比較例１とで電気機械結合係数ｋ２はほぼ同じである。
図５（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５（ｂ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図５（ｃ）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（ｃ）に示すように、実施例２では、圧電膜１４に挿入膜２８が挿入されていない。圧電膜１４は上部電極１６下に設けられ、上部電極１６が形成されていない領域の圧電膜１４は除去されている。その他の構成は実施例１と同じであり、説明を省略する。
実施例２に係る圧電薄膜共振器の特性を２次元の有限要素法を用いシミュレーションした。図６（ａ）および図６（ｂ）はシミュレーションした比較例２および実施例２の断面を示す図である。図６（ｃ）はシミュレーション結果を示す図である。
図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、比較例２および実施例２には挿入膜２８が形成されていない。その他の構成は図３（ａ）および図３（ｂ）と同じであり説明を省略する。図６（ｃ）に示すように、***振周波数におけるＱ値Ｑａおよび電気機械結合係数ｋ２とも、実施例２は比較例２より大きい。挿入膜２８を形成しない場合においても、不連続部２６により、共振領域５０からの弾性波エネルギーの漏洩を抑制できると考えられる。図３（ｃ）と比較すると、実施例１は実施例２に比べＱ値を大きくできる。実施例２は実施例１に比べ電気機械結合係数ｋ２を大きくできる。
図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１および実施例２に係る圧電薄膜共振器の共振領域端の断面ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像である。図７（ａ）に示すように、実施例１では、下部電極１２の端部４６と空隙３０の端部４７とがほぼ一致している。すなわち下部電極１２の端部と犠牲層の端部がほぼ一致している。これにより、下部電極１２の端部４６から圧電膜１４に不連続部２６（亀裂）が形成される。不連続部２６は、空隙３０と連続している。不連続部２６は、下部圧電膜１４ａ、挿入膜２８および上部圧電膜１４ｂを貫通し、圧電膜１４の上面まで達している。下部圧電膜１４ａにおける不連続部２６の断面は、下方が広く上方が狭い三角形状または台形状である。これは、積層膜１８がドーム状となり空隙３０を形成するときに、不連続部２６が形成されるためである。
図７（ｂ）に示すように、実施例２では、挿入膜２８は設けられていない。下部電極１２の端部４６と空隙３０の端部４７とがほぼ一致している。下部電極１２の端部４６から圧電膜１４を貫通する不連続部２６（亀裂）が形成される。圧電膜１４における不連続部２６の断面は、下方が広く上方が狭い三角形状または台形状である。
実施例１および２によれば、共振領域５０の中央である中央領域５４を囲む少なくとも一部の領域において、圧電膜１４が不連続である不連続部２６が設けられている。これにより、共振領域５０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。弾性波のエネルギーの共振領域５０外への漏洩を抑制するため、不連続部２６は、共振領域５０内の外周領域５２または共振領域５０の外側に設けられていればよい。
図８は、共振領域の端部付近の断面図である。図８に示すように、空隙３０は、平面視において共振領域５０を含みかつ共振領域５０より大きい。すなわち、空隙３０の端部７２（すなわち輪郭）が共振領域５０の端部７０（すなわち輪郭）より外側に位置している。不連続部２６が共振領域５０内に形成されると、共振特性が劣化する。不連続部２６が空隙３０の端部７２の外側に位置すると、圧電膜１４から基板１０に弾性波のエネルギーが漏洩してしまう。よって、不連続部２６は、共振領域５０の端部７０または端部７０の外側、かつ空隙３０の端部７２または端部７２の内側に位置することが好ましい。後述するように下部電極１２の下に空隙３０の変わりに音響反射膜が設けられている場合、不連続部２６は、共振領域５０の端部７０または端部７０の外側、かつ音響反射膜の端部７２または端部７２の内側に位置することが好ましい。なお、不連続部２６が共振領域５０の端部７０に位置しているとは、端部７０に対し、圧電膜１４内を横方向に伝搬する弾性波の波長程度内側に位置している場合も含まれる。不連続部２６が共振領域５０の端部７０に対し弾性波の波長程度内側に位置していても共振特性はほとんど劣化しない。
共振領域５０からの弾性波のエネルギーの漏洩を抑制する観点から、不連続部２６は、共振領域５０の中央領域５４を全て囲むように設けられていてもよい。共振領域５０の中央領域５４を囲む少なくとも一部に設けられていればよい。例えば、不連続部２６は上部電極１６の引き出し部に設けられていてもよい。上部電極１６の引き出し部は、共振領域５０内の上部電極１６と共振領域５０の外とを電気的に接続する部分である。
上部電極１６の引き出し部以外では、下部電極１２を共振領域５０より大きく形成する。これは、上部電極１６と下部電極１２との位置合わせマージン確保のためである。このため、犠牲層３８の端部と下部電極１２の端部を略一致させることにより不連続部２６を形成する場合、不連続部２６は、上部電極１６の引き出し部に形成される。実施例２のように、上部電極１６以外の圧電膜１４が除去されているとき、上部電極１６の引き出し部以外においては共振領域５０から弾性波のエネルギーの漏洩は抑制されている。よって、上部電極１６の引き出し部に不連続部２６を設ければ、共振領域５０から弾性波エネルギーの漏洩をより抑制できる。
犠牲層３８の端部と下部電極１２の端部とを略一致させることにより不連続部２６を形成する場合、空隙３０の端部４７と下部電極１２の端部４６は略一致した領域に設けられ、不連続部２６は、下部電極１２の端部を起点に設けられる。また、犠牲層とは関係なく、下部電極１２の端部からの応力により不連続部２６を形成することもできる。この場合にも、不連続部２６は、下部電極１２の先端を起点に設けられる。不連続部２６を亀裂により形成する場合、圧電膜１４は硬いことが好ましい。例えば圧電膜１４として窒化アルミウムを用いる場合、ボロンを添加することにより、圧電膜１４を硬くできる。
図９（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図９（ｂ）は、挿入膜の平面図、図９（ｃ）および図９（ｄ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図９（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図９（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９（ａ）から図９（ｄ）に示すように、実施例３では、挿入膜２８は外周領域５２のみに設けられ、共振領域５０の外には設けられていない。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、上部電極１６下以外の圧電膜１４を除去してもよい。
図１０（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１０（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１０（ｃ）および図１０（ｄ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１０（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図１０（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１０（ａ）から図１０（ｄ）に示すように、実施例４では、挿入膜２８は外周領域５２に加え、共振領域５０の外に設けられている。挿入膜２８には、孔部３５に連通する孔３４が形成されている。中央領域５４、孔３４および開口３６以外の圧電膜１４には挿入膜２８が挿入されている。その他の構成は実施例１と同じであり、説明を省略する。
実施例１のように、挿入膜２８は、共振領域５０を囲む領域５６に設けられ、領域５６外に設けられていなくてもよい。実施例３のように、挿入膜２８は、共振領域５０の外に設けられていなくともよい。実施例４のように、挿入膜２８は、共振領域５０外の全体に設けられていてもよい。いずれにおいても、圧電薄膜共振器のＱ値を改善することができる。
挿入膜２８は外周領域５２の一部に設けられていればよい。挿入膜２８が外周領域５２の一部に設けられていても弾性波の共振領域５０外への漏洩を抑制できる。挿入膜２８は共振領域５０の外周の少なくとも５０％以上に設けられていることが好ましく、７５％以上がより好ましく、９０％以上がさらに好ましい。
図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、実施例５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、不連続部２６は、挿入膜２８下に設けられた下部圧電膜１４ａに設けられ、挿入膜２８上に設けられた上部圧電膜１４ｂに設けられていなくてもよい。図１１（ｂ）に示すように、不連続部２６は、上部圧電膜１４ｂに設けられ、下部圧電膜１４ａに設けられていなくともよい。このように、不連続部２６は圧電膜１４の膜厚方向の一部に設けられていればよい。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６およびその変形例は、空隙の構成を変えた例である。図１２（ａ）は、実施例６の圧電薄膜共振器の断面図、図１２（ｂ）は、実施例６の変形例１の圧電薄膜共振器の断面図である。図１２（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１２（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。
なお、実施例１から５およびその変形例において、実施例６と同様に空隙３０を形成してもよく、実施例６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６およびその変形例のように、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６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６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７はデュプレクサの例である。図１３は、実施例７に係るデュプレクサの回路図である。図１３に示すように、デュプレクサは、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２を備えている。送信フィルタ４０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４２は、共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に接続されている。共通端子Ａｎｔとグランドとの間には、整合回路としてインダクタＬ１が設けられている。送信フィルタ４０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４２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。インダクタＬ１は、送信フィルタ４０を通過した送信信号が受信フィルタ４２に漏れず共通端子Ａｎｔから出力されるようにインピーダンスを整合させる。
送信フィルタ４０は、ラダー型フィルタである。送信端子Ｔｘ（入力端子）と共通端子Ａｎｔ（出力端子）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。送信端子Ｔｘと共通端子Ａｎｔとの間に１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ３が並列に接続されている。並列共振器Ｐ１からＰ３のグランド側は共通にインダクタＬ２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。直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３の少なくとも１つを実施例１から６および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
図１４（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、実施例１に係る圧電薄膜共振器を同一基板１０に形成し、ラダー型フィルタとすることができる。圧電膜１４に開口３６が形成され、開口３６と同じ場所に挿入膜２８の開口が設けられている。これらの開口を介し、外部から下部電極１２に電気的に接続することができる。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。各共振器Ｓ１からＳ４およびＰ１からＰ３の共振領域５０の大きさおよび形状は、適宜変更可能である。
受信フィルタ４２は、ラダー型フィルタでもよく、多重モードフィルタでもよい。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方をラダー型フィルタまたはラティス型フィルタとすることができる。また、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方の少なくとも１つの共振器を実施例１から６およびその変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
フィルタが実施例１から６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４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例１から６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
１６ 上部電極
２６ 不連続部
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１４ａ 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１６ 上部電極
２６ 不連続部
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
Claims (8)
- 基板と、
前記基板上に設けられた下部電極および上部電極と、
前記上部電極と前記下部電極とが対向する共振領域内に少なくとも挟まれ、前記共振領域の中央である中央領域を囲む少なくとも一部の領域において、圧電膜に亀裂または空隙が設けられた前記圧電膜と、
を備え
前記亀裂または空隙は、前記下部電極の端部を起点に設けられ、前記中央領域を囲む他の領域には設けられておらず、
前記下部電極下に別の空隙が設けられ、
前記亀裂または空隙は、前記下部電極の端部と前記別の空隙の端部とが略一致した領域に設けられている圧電薄膜共振器。 - 前記亀裂または空隙は、前記上部電極が前記共振領域から引き出される領域に設けられている請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記圧電膜中に挿入され、前記共振領域内の外周領域の少なくとも一部に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜を備える請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
- 基板と、
前記基板上に設けられた下部電極および上部電極と、
前記上部電極と前記下部電極とが対向する共振領域内に少なくとも挟まれ、前記共振領域の中央である中央領域を囲む少なくとも一部の領域において、圧電膜に亀裂または空隙が設けられた前記圧電膜と、
前記圧電膜中に挿入され、前記共振領域内の外周領域の少なくとも一部に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、
を備え
前記亀裂または空隙は、前記下部電極の端部を起点に設けられ、前記中央領域を囲む他の領域には設けられておらず、
前記亀裂または空隙は、前記挿入膜上および下に設けられた前記圧電膜に設けられている圧電薄膜共振器。 - 前記亀裂または空隙は、前記挿入膜下に設けられた前記圧電膜に設けられ、前記挿入膜上に設けられた前記圧電膜に設けられていない請求項３記載の圧電薄膜共振器。
- 前記亀裂または空隙の断面は下が広く上方が狭い請求項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３から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
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