JP7299008B2 - 圧電薄膜共振器、フィルタ、及びマルチプレクサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタ、及びマルチプレクサに関する。

圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば携帯電話などの無線機器のフィルタ及びデュプレクサに用いられている。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。

圧電薄膜共振器の電気機械結合係数を大きくするために、窒化アルミニウムを主成分とする圧電膜に窒素及びアルミニウム以外の元素を添加することが知られている（例えば、特許文献１、２）。また、窒素及びアルミニウム以外の元素が添加された第１窒化アルミニウム膜の上面及び下面に、第１窒化アルミニウム膜よりも添加元素の濃度が低い第２窒化アルミニウム膜が設けられた構成の圧電膜を用いることで、Ｑ値及び電気機械結合係数が改善されることが知られている（例えば、特許文献３）。

特開２０１３－２１９７４３号公報 国際公開第２０１３／１７５９８５号 特開２０１４－１２１０２５号公報

圧電薄膜共振器の特性向上のため、圧電膜を圧縮応力にすることがある。例えば、特許文献１及び２のように、窒化アルミニウムを主成分とする圧電膜に窒素及びアルミニウム以外の元素を添加することで、圧電膜の圧電性が向上し、電気機械結合係数などの圧電薄膜共振器の特性が向上する。このとき、圧電膜の残留応力は圧縮応力になる。圧電膜の残留応力が圧縮応力になると、圧電膜にクラックが生じる又は圧電膜が剥がれるなどの破壊が生じる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電膜に加わる応力を抑制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下部電極と、前記下部電極上に設けられ、窒化アルミニウムを主成分とする下部圧電膜と前記下部圧電膜上の窒化アルミニウムを主成分とする上部圧電膜とを含み、前記下部圧電膜及び前記上部圧電膜のうちの一方はスカンジウム、ボロン、又は、２族元素若しくは１２族元素と４族元素若しくは５族元素とが添加され、他方は窒素、アルミニウム、及びアルゴン以外から選択される元素が添加されてなく且つアルゴン濃度が前記一方のアルゴン濃度よりも低い圧電膜と、前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する領域である共振領域が形成されるように設けられた上部電極と、前記基板と前記下部電極との間に設けられ、前記圧電膜内に励振された弾性波を反射する音響反射層と、を備える圧電薄膜共振器である。

上記構成において、前記上部圧電膜は、前記共振領域の周囲のうちの前記上部電極が前記共振領域から引き出される領域以外の少なくとも一部において前記下部圧電膜の端面よりも内側に収まるように、前記下部圧電膜上に設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記下部圧電膜の膜厚と前記上部圧電膜の膜厚とは略同じである構成とすることができる。

上記構成において、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜の間であって前記共振領域の少なくとも一部に設けられ、アルミニウム、金、銅、チタン、白金、タンタル、クロム、又は酸化シリコンからなる膜を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記音響反射層は空隙であり、前記上部電極が前記共振領域から引き出される領域における前記下部電極の端は、前記空隙と前記下部圧電膜との間に位置する構成とすることができる。

本発明は、上記記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタである。

本発明は、上記記載のフィルタを含むマルチプレクサである。

本発明によれば、圧電膜に加わる応力を抑制することができる。

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）は、挿入膜及び空隙の平面図、図１（ｃ）及び図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ間の断面図である。 図２は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面拡大図である。 図３は、Ａｒ流量に対する残留応力を示す図である。 図４は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 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）は、図５（ａ）のＡ－Ａ間の断面図である。 図６は、比較例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 図７は、シミュレーション結果を示す図である。 図８は、実施例２の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 図９は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 図１０は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 図１１は、実施例５に係るフィルタの回路図である。 図１２は、実施例６に係るデュプレクサの回路図である。

以下、図面を参照して、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、挿入膜及び空隙の平面図、図１（ｃ）及び図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ間の断面図である。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。

まず、図１（ａ）及び図１（ｃ）を用いて、直列共振器Ｓの構造について説明する。図１（ａ）及び図１（ｃ）のように、Ｓｉ（シリコン）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、空隙３０の周辺では空隙３０の高さが低く、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。空隙３０は、圧電膜１４に励振された弾性波を反射する音響反射層として機能する。下部電極１２は、例えば下層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ＡｌＮ（窒化アルミニウム）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と上部圧電膜１４ｂとを備えている。下部圧電膜１４ａは、下部電極１２上に設けられている。上部圧電膜１４ｂは、下部圧電膜１４ａと上部電極１６との間に設けられている。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。

図１（ｂ）のように、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には設けられていない。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。

図１（ａ）及び図１（ｃ）のように、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。平面視において、空隙３０は共振領域５０を含むように設けられている。これにより、圧電膜１４に励振された弾性波は空隙３０により反射される。上部電極１６は、例えば下層１６ａ及び上層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、周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が設けられている。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、及び周波数調整膜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。また、図１（ｂ）のように、挿入膜２８は、孔部３５に連通する孔部３４を有する。

次に、図１（ｄ）を用いて、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と比較して、上部電極１６の下層１６ａと上層１６ｂとの間に、例えば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及び並列共振器Ｐ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う。

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、サファイア基板、スピネル基板、水晶基板、又はＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）基板などを用いることができる。下部電極１２及び上部電極１６としては、Ｒｕ及びＣｒ以外にも、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ、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）、又はＩｒ（イリジウム）などの単層膜又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（チタン酸ジルコニウム）、ＰｂＴｉＯ_３（チタン酸鉛）など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、共振特性の向上又は圧電性の向上のために他の元素を含んでいてもよい。例えば、下部圧電膜１４ａは、窒化アルミニウムを主成分とし且つ他の元素を実質的に含まず、上部圧電膜１４ｂは、窒化アルミニウムを主成分とし且つ他の元素を含む構成とすることができる。この場合、下部圧電膜１４ａの残留応力は例えば引張応力であり、上部圧電膜１４ｂの残留応力は例えば圧縮応力である。また、例えば、下部圧電膜１４ａは、窒化アルミニウムを主成分とし且つ他の元素を含み、上部圧電膜１４ｂは、窒化アルミニウムを主成分とし且つ他の元素を実質的に含まない構成とすることができる。この場合、下部圧電膜１４ａの残留応力は例えば圧縮応力であり、上部圧電膜１４ｂの残留応力は例えば引張応力である。

挿入膜２８のヤング率は圧電膜１４のヤング率よりも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よりも小さいことが好ましい。これにより、Ｑ値を向上できる。さらに、挿入膜２８の音響インピーダンスを圧電膜１４よりも小さくするため、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膜、Ｃｕ膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ｔａ膜、Ｃｒ膜、又は酸化シリコン膜であることが好ましい。

周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも、窒化シリコン膜又は窒化アルミニウム膜など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、又はＩｒなど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又は酸化シリコンなどの窒化金属又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、又は圧電膜１４と上部電極１６との間に形成することもできる。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は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面拡大図である。図２は、上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域付近の断面図である。図２のように、空隙３０端部と下部電極１２との端部が略一致しており、下部電極１２の端は空隙３０と圧電膜９４との間に位置する。圧電膜９４は下部圧電膜９４ａと上部圧電膜９４ｂとを備える。下部圧電膜９４ａ及び上部圧電膜９４ｂは共に、窒化アルミニウムを主成分とし且つ窒素及びアルミニウム以外の他の元素を含んでいて、残留応力は例えば圧縮応力である。圧電膜９４の圧縮応力が大きい場合、下部電極１２の端部５６に応力が集中する。このため、圧電膜９４にクラックが生じる、及び／又は、圧電膜９４が剥がれてしまう。

ここで、圧電膜の圧縮応力を異ならせた圧電薄膜共振器を複数作製し、圧電膜にクラック及び／又は剥がれなどの破壊が生じるかの調査をした。圧電薄膜共振器の作製条件は以下である。
下部電極の下層：膜厚が９８ｎｍのＣｒ膜
下部電極の上層：膜厚が１９２ｎｍのＣｒ膜
圧電膜：膜厚が１２５０ｎｍのＡｌＮ膜
挿入膜：膜厚が１５０ｎｍの酸化シリコン膜
挿入膜は圧電膜の厚さ方向の中心に設けた。
上部電極の下層：膜厚が２３２ｎｍのＲｕ膜
上部電極の上層：膜厚が３５ｎｍのＣｒ膜
周波数調整膜：膜厚が５０ｎｍの酸化シリコン膜
共振領域の形状：長軸が２１１μｍ、短軸が１５１μｍの楕円形状

圧電膜の成膜方法は以下である。圧力を０．３Ｐａとし、Ａｒ（アルゴン）ガスとＮ_２（窒素）ガスの混合ガス雰囲気においてスパッタリングを行った。Ａｒ／Ｎ_２混合ガスにおける、Ａｒ＋Ｎ_２の流量に対するＡｒの流量の比（Ａｒ流量比）を変えることで圧電膜の残留応力を変化させた。圧電膜には、窒素及びアルミニウム以外の他の元素を意図的に添加していない。

圧電薄膜共振器の圧電膜を成膜する条件と同じ条件でＳｉ基板上に圧電膜を成膜し、室温におけるＳｉ基板の反りから残留応力を測定した。圧電膜の残留応力が引張応力のときは、圧電膜を設けた面が凹むようにＳｉ基板が反る。圧電膜の残留応力が圧縮応力のときは、圧電膜を設けた面が膨らむようにＳｉ基板が反る。残留応力の符号は、引張応力のとき正であり、圧縮応力のとき負である。なお、残留応力は内部応力ともいう。

ここで、ＡｌＮ膜の成膜のときのＡｒ流量とＡｌＮ膜の残留応力との関係を調査した結果について説明する。ＡｌＮをターゲットとし、スパッタリングガスをＡｒ／Ｎ_２混合ガスとした。Ｎ_２は、Ａｌと反応させＡｌＮとするためのガスである。ターゲットのスパッタリングには主にＡｒが寄与する。圧力を０．３Ｐａとし、Ｎ_２流量を８０ｓｃｃｍの一定値とし、Ａｒ流量を変えＡｌＮ膜を成膜した。ＡｌＮ膜には窒素及びアルミニウム以外の元素を意図的には添加していない。

図３は、Ａｒ流量に対する残留応力を示す図である。図３のように、Ａｒ流量が小さいと、残留応力は圧縮応力である。Ａｒ流量が大きくなると、残留応力が大きくなり引張応力となる。このように、Ａｒ流量を変えることで、ＡｌＮ膜の残留応力を制御できる。Ａｒ流量の大きい（すなわち残留応力が大きい）ＡｌＮ膜のＡｒ濃度は、Ａｒ流量の小さい（すなわち残留応力の小さい）ＡｌＮ膜のＡｒ濃度よりも高いと考えられる。

作製した圧電薄膜共振器のサンプルにおいて、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）を用いて圧電膜の破壊を観察した。圧電膜にクラック及び／又は剥離が生じているサンプルを圧電膜の破壊が「有」とし、圧電膜にクラック及び剥離のいずれもが生じていないサンプルを圧電膜の破壊が「無」とした。

表１は、実験における圧電膜の残留応力と圧電膜の破壊を示す表である。表１のように、圧電膜の残留応力が－２００ＭＰａ以下では圧電膜に破壊が生じ、残留応力が－１５０ＭＰａ以上では圧電膜の破壊は生じていない。

圧電膜が圧縮応力となる原因として、例えば圧電膜に圧電膜の圧電性が向上するような元素を添加することが挙げられる。特許文献１に記載されているように、圧電膜に、２族元素又は１２族元素と４族元素を添加する、若しくは、２族元素又は１２族元素と５族元素とを添加する。なお、元素の族の名称は、ＩＵＰＡＣ（International Union of Pure and Applied Chemistry）の表記による。２族元素は、例えばカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、又はストロンチウム（Ｓｒ）である。１２族元素は、例えば亜鉛（Ｚｎ）である。４族元素は、例えばチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、又はハフニウム（Ｈｆ）である。５族元素は、例えばタンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、又はバナジウム（Ｖ）である。特許文献２に記載されているように、圧電膜は、ＡｌＮを主成分とし、スカンジウム（Ｓｃ）が添加されていてもよい。また、圧電膜は、ＡｌＮを主成分とし、ボロン（Ｂ）が添加されていてもよい。

２族元素又は１２族元素と４族元素又は５族元素、スカンジウム、及びボロンを仮に元素Ｍとすると、元素ＭはＡｌＮのＡｌに置換する。すなわち、元素ＭはＡｌサイトに位置する。これにより、圧電膜の圧電性が向上し圧電薄膜共振器の電気機械結合係数などの特性が向上する。このとき、圧電膜は圧縮応力になる。

圧電薄膜共振器の電気機械結合係数を向上させるため、元素Ｍの濃度（Ｍ＋Ａｌに対するＭの濃度）は、５原子％以上が好ましく、１０原子％以上がより好ましく、２０原子％以上が更に好ましい。また、圧電膜をＡｌＮ膜とするため、元素Ｍの濃度は５０原子％より小さい場合が好ましく、４０原子％以下がより好ましい。なお、圧電膜が窒化アルミニウムを主成分とするとは、本明細書の効果が得られる程度に窒化アルミニウムを含むことであり、例えば圧電膜の５０原子％以上がＡｌ及びＮであることである。

以上説明したように、比較例１では、圧電膜９４が圧縮応力となり、圧電膜９４に加わる応力が大きくなって圧電膜９４に破壊が生じることがある。

次に、実施例１の圧電薄膜共振器及び比較例１の圧電薄膜共振器に対して行ったシミュレーションについて説明する。表２は、シミュレーションを行った構造を示す表である。

表２のように、比較例１の圧電薄膜共振器、並びに実施例１の圧電薄膜共振器の構造Ａ及び構造Ｂの全てにおいて、下部電極１２の下層１２ａを膜厚が９８ｎｍのＣｒ膜とし、上層１２ｂを膜厚が１９２ｎｍのＲｕ膜とした。表２では記載を省略したが、挿入膜２８を膜厚が１５０ｎｍの酸化シリコン膜とした。上部電極１６の下層１６ａを膜厚が２３２ｎｍのＲｕ膜とし、上層１６ｂを膜厚が３５ｎｍのＣｒ膜とした。周波数調整膜２４を膜厚が５０ｎｍの酸化シリコン膜とした。共振領域５０の形状を長軸が２１１μｍ、短軸が１５１μｍの楕円形状とした。

また、比較例１の圧電薄膜共振器では、圧電膜９４（すなわち、下部圧電膜９４ａ＋上部圧電膜９４ｂ）は、膜厚が１２５０ｎｍで窒素及びアルミニウム以外の他の元素が意図的に添加されたＡｌＮ膜とした。実施例１の圧電薄膜共振器の構造Ａでは、下部圧電膜１４ａは、膜厚が６２５ｎｍで窒素及びアルミニウム以外の他の元素が意図的に添加されたＡｌＮ膜とし、上部圧電膜１４ｂは、膜厚が６２５ｎｍで窒素及びアルミニウム以外の他の元素が意図的に添加されていないＡｌＮ膜とした。実施例１の圧電薄膜共振器の構造Ｂでは、下部圧電膜１４ａは、膜厚が６２５ｎｍで窒素及びアルミニウム以外の他の元素が意図的に添加されていないＡｌＮ膜とし、上部圧電膜１４ｂは、膜厚が６２５ｎｍで窒素及びアルミニウム以外の他の元素が意図的に添加されたＡｌＮ膜とした。

表２に示す構造について、下部電極１２の端部５６（図２参照）に加わる応力を２次元の有限要素法を用い算出した。表３は、シミュレーション結果を示す表である。表３では、下部電極１２の端部５６に加わる応力は、比較例１の圧電薄膜共振器で下部電極１２の端部５６に加わる応力で規格化した。規格化した応力を応力比として１００分率で表した。

表３のように、比較例１の圧電薄膜共振器では、下部圧電膜９４ａ及び上部圧電膜９４ｂの残留応力が共に－２００ＭＰａであり、このときの応力比を１００％とした。実施例１の圧電薄膜共振器の構造Ａでは、下部圧電膜１４ａの残留応力は－２００ＭＰａ、上部圧電膜１４ｂの残留応力は２００ＭＰａであり、応力比は６１％である、実施例１の圧電薄膜共振器の構造Ｂでは、下部圧電膜１４ａの残留応力は２００ＭＰａ、上部圧電膜１４ｂの残留応力はー２００ＭＰａであり、応力比は６５％である。このように、実施例１の圧電薄膜共振器の構造Ａ及び構造Ｂは、比較例１の圧電薄膜共振器に比べて、下部電極１２の端部５６に加わる応力が小さくなった。これは、実施例１の圧電薄膜共振器の構造Ａ及び構造Ｂでは、下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂの一方の圧電膜は窒素及びアルミニウム以外の他の元素が意図的に添加されたＡｌＮ膜であり、残留応力が圧縮応力である。他方の圧電膜は窒素及びアルミニウム以外の他の元素が意図的には添加されていないＡｌＮ膜であり、残留応力が引張応力である。したがって、圧縮応力と引張応力が互いに作用し合って圧電膜１４の残留応力の絶対値が小さくなり、その結果、応力比が小さくなったと考えられる。

実施例１によれば、圧電膜１４は、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂを備える。下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂのうちの一方の圧電膜は、圧電薄膜共振器の特性向上のために残留応力を圧縮応力とする。他方の圧電膜は、残留応力を引張応力とする。これにより、下部電極１２の端部などにおいて圧電膜１４に加わる応力を抑制できる。よって、圧電膜１４の破壊を抑制できる。

下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂは、窒化アルミニウムを主成分とする。そして、下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂのうちの一方の圧電膜は、スカンジウム、ボロン、又は、２族元素若しくは１２族元素と４族元素若しくは５族元素とが添加されている。これにより、圧電膜１４の圧電性が効果的に向上する。しかしながら、スカンジウム、ボロン、又は、２族元素若しくは１２族元素と４族元素若しくは５族元素とが添加された圧電膜は圧縮応力になり易く、下部電極１２の端部などにおいて圧電膜１４に応力が集中し易い。したがって、下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂのうちの他方の圧電膜を引張応力とすることが好ましい。

下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂのうちの一方の圧電膜は窒化アルミニウムを主成分とし且つボロンが添加されている場合には硬くなる。硬くなった圧電膜に応力が加わるとクラックなどの破損が生じ易い。したがって、下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂのうちの他方の圧電膜を引張応力とすることが好ましい。

下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂの他方の圧電膜は、窒素、アルミニウム、及びアルゴン以外から選択される元素が実質的に（すなわち意図的に）添加されていないことが好ましい。これにより、他方の圧電膜の残留応力を引張応力とすることができる。

また、実施例１によれば、下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂのうちの一方の圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とし、窒素、アルミニウム、及びアルガン以外から選択される元素が意図的に添加されている。これにより、圧電性が向上するが、残留応力が圧縮応力となる。そこで、下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂのうちの他方の圧電膜を、窒化アルミニウムを主成分とし、窒素、アルミニウム、及びアルゴン以外から選択される元素が実質的に（意図的に）添加されてなく、アルゴン濃度が一方の圧電膜のアルゴン濃度よりも低くなるようにする。これにより、他方の圧電膜の残留応力を引張応力とでき、下部電極１２の端部などにおいて圧電膜１４に加わる応力を抑制できる。よって、圧電膜１４の破壊を抑制できる。

図２のように、上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域における下部電極１２の端は、空隙３０と圧電膜１４との間に位置する。このような構造では、下部電極１２の端部に応力が集中し易い。よって、圧電膜１４が破壊され易くなる。そこで、下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂのうちの一方の圧電膜の残留応力が圧縮応力となる場合、他方の圧電膜の残留応力を引張応力とすることが好ましい。言い換えると、下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂのうちの一方の圧電膜が、窒化アルミニウムを主成分とし、窒素、アルミニウム、及びアルガン以外から選択される元素が意図的に添加されている場合、他方の圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とし、窒素、アルミニウム、及びアルゴン以外から選択される元素が実質的に（意図的に）添加されてなく、アルゴン濃度が一方の圧電膜のアルゴン濃度よりも低いことが好ましい。これにより、下部電極１２の端部において圧電膜１４への応力の集中を抑制できる。なお、下部電極１２の端は、空隙３０と圧電膜１４との間に位置しない場合であっても、下部電極１２の端部において圧電膜１４に応力が集中し易いため、上記の構成とすることが好ましい。

下部圧電膜１４ａの膜厚と上部圧電膜１４ｂの膜厚とは略同じである場合が好ましい。これにより、圧電膜１４の残留応力の絶対値を効果的に小さくでき、圧電膜１４の破壊を効果的に抑制できる。なお、略同じとは、完全に同じ場合に限られず、製造誤差程度に異なる場合も含む。また、圧電膜１４の残留応力の絶対値を小さくする点から、下部圧電膜１４ａの膜厚と上部圧電膜１４ｂの膜厚との比（下部圧電膜１４ａの膜厚：上部圧電膜１４ｂの膜厚）は、７：３から３：７の範囲内であることが好ましく、６：４から４：６の範囲内であることがより好ましく、５．５：４．５から４．５：５．５の範囲内であることが更に好ましい。

図１（ｂ）から図１（ｄ）のように、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間であって共振領域５０の外周領域５２に、下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂと異なる材料の挿入膜２８が設けられている。これにより、圧縮応力及び引張応力の一方である下部圧電膜１４ａと他方である上部圧電膜１４ｂとを容易に作り分けることができる。なお、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂの間であって共振領域５０の少なくとも一部に設けられる膜は、挿入膜２８の場合に限られず、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂの弾性定数の温度係数と逆符号の温度係数を持つ温度補償膜などの場合でもよい。下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂの間に設けられる膜が温度補償膜の場合では、共振領域５０の全面に設けられていてもよい。温度補償膜としては、例えば下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂが窒化アルミニウムを主成分とする場合には酸化シリコン膜を用いることができる。

図４は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図４のように、実施例１の変形例１の圧電薄膜共振器では、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂの間に挿入膜２８が設けられていない。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例１の変形例１のように、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂの間に挿入膜２８が設けられていない場合でもよい。挿入膜２８は、圧電膜１４と比べて膜厚が薄いため、圧電膜１４の残留応力に関してはほとんど寄与しないためである。また、挿入膜２８は、共振領域５０の中央領域５４には設けられていないため、この点においても、圧電膜１４の残留応力に関する寄与が小さいためである。

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）は、図５（ａ）のＡ－Ａ間の断面図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）のように、実施例２の圧電薄膜共振器では、共振領域５０の周囲のうちの上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域以外の少なくとも一部の領域において、上部圧電膜１４ｂは下部圧電膜１４ａの端面よりも内側に収まるように設けられている。なお、下部電極１２の引き出し領域において、上部圧電膜１４ｂの端面は上部電極１６の端面よりも外側に位置して共振領域５０の輪郭よりも外側に位置しているが、上部圧電膜１４ｂの端面は上部電極１６の端面と略一致して共振領域５０の輪郭に略一致していてもよい。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６は、比較例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図６のように、比較例２の圧電薄膜共振器では、下部圧電膜９４ａの端面と上部圧電膜９４ｂの端面とが略同一面になっている。その他の構成は、比較例１と同じであるため説明を省略する。

実施例２の圧電薄膜共振器及び比較例２の圧電薄膜共振器に対して行ったシミュレーションについて説明する。表４は、シミュレーションを行った構造を示す表である。

表４のように、比較例２の圧電薄膜共振器の層構成は、実施例１の表２に示した比較例１の圧電薄膜共振器の層構成と同じにした。実施例２の圧電薄膜共振器の構造Ａの層構成は、実施例１の圧電薄膜共振器の構造Ａの層構成と同じにした。実施例２の圧電薄膜共振器の構造Ｂの層構成は、実施例１の圧電薄膜共振器の構造Ｂの層構成と同じにした。また、シミュレーションは、下部電極１２の引き出し領域において、上部電極１６の端面から下部圧電膜１４ａ及び９４ａの端面までの距離Ｌ（図５（ｂ）及び図６参照）を異ならせた場合について行った。

シミュレーションは、実施例１の場合と同様に、下部電極１２の端部５６に加わる応力を２次元の有限要素法を用い算出することを行った。また、下部圧電膜及び上部圧電膜の残留応力は、実施例１の場合と同じ値である。すなわち、比較例２の圧電薄膜共振器では、下部圧電膜９４ａ及び上部圧電膜９４ｂの残留応力は共に－２００ＭＰａである。実施例２の圧電薄膜共振器の構造Ａでは、下部圧電膜１４ａの残留応力は－２００ＭＰａ、上部圧電膜１４ｂの残留応力は２００ＭＰａである。実施例２の圧電薄膜共振器の構造Ｂでは、下部圧電膜１４ａの残留応力は２００ＭＰａ、上部圧電膜１４ｂの残留応力はー２００ＭＰａである。

図７は、シミュレーション結果を示す図である。図７の横軸は、上部電極１６の端面から下部圧電膜１４ａ及び９４ａの端面までの距離Ｌである。縦軸は、応力比である。なお、縦軸の応力比は、比較例２の圧電薄膜共振器で上部電極１６の端面から下部圧電膜９４ａの端面までの距離Ｌが１３μｍの場合に下部電極１２の端部５６に加わる応力で規格化して１００分率で表している。

図７のように、実施例２において、上部電極１６の端面から下部圧電膜１４ａの端面までの距離Ｌが長くなるほど、応力比が小さくなった。また、実施例２の構造Ｂの方が、実施例２の構造Ａに比べて、距離Ｌが長くなることによる応力比の低下が大きかった。

実施例２によれば、上部圧電膜１４ｂは、共振領域５０の周囲のうちの上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域以外の少なくとも一部において下部圧電膜１４ａの端面よりも内側に収まるように設けられている。これにより、図７のように、下部電極１２の端部に加わる応力を効果的に小さくすることができる。この構造の場合、上部電極１６の端面から下部圧電膜１４ａの端面までの距離Ｌは、下部電極１２の端部に加わる応力を小さくする点から、１０μｍ以上の場合が好ましく、１５μｍ以上の場合が好ましく、２０μｍ以上の場合が更に好ましい。

図７のように、実施例２の構造Ａでは、実施例２の構造Ｂに比べて、応力比を小さくできる。一方、実施例２の構造Ｂでは、実施例２の構造Ａに比べて、上部電極１６の端面から下部圧電膜１４ａの端面までの距離Ｌを長くすることによる応力比の低下率が大きくなる。

なお、実施例２において、上部圧電膜１４ｂは、共振領域５０の周囲のうちの上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域以外の全てにおいて下部圧電膜１４ａの端面よりも内側に収まるように設けられていることが好ましい。また、実施例２において、下部圧電膜１４ａは、端面が基板１０の端面と略同一面を形成するように設けられていてもよい。

図８は、実施例２の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図８のように、実施例２の変形例１の圧電薄膜共振器では、共振領域５０の周囲のうちの上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域以外の少なくとも一部の領域において、下部圧電膜１４ａは上部圧電膜１４ｂの端面よりも内側に収まるように設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

図９は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図９のように、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もちいることができる。

図１０は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１０のように、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及び３０ｂの膜厚は、例えばそれぞれほぼ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。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３１の音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。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２においても、実施例３と同様に空隙３０を形成してもよく、実施例４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３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。実施例４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を伝播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。共振領域５０を含む音響反射層は、空隙３０又は音響反射膜３１を含めばよい。

共振領域５０は、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、四角形又は五角形などの多角形でもよい。

実施例５は、実施例１から実施例４の圧電薄膜共振器を用いたフィルタの例である。図１１は、実施例５に係るフィルタの回路図である。図１１のように、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に、１又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又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又は複数の直列共振器Ｓ１からＳ４及び１又は複数の並列共振器Ｐ１からＰ４の少なくとも１つの共振器に、実施例１から実施例４の圧電薄膜共振器を用いることができる。ラダー型フィルタの共振器の個数などは適宜設定できる。

実施例６は、実施例５のフィルタを用いたデュプレクサの例である。図１２は、実施例６に係るデュプレクサの回路図である。図１２のように、共振端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共振端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。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。送信フィルタ４０及び受信フィルタ４２の少なくとも一方を、実施例５のフィルタとすることができる。

実施例６では、マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したが、トリプレクサ又はクワッドプレクサでもよい。

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
２０ 質量負荷膜
２４ 周波数調整膜
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

Claims (7)

1. 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、窒化アルミニウムを主成分とする下部圧電膜と前記下部圧電膜上の窒化アルミニウムを主成分とする上部圧電膜とを含み、前記下部圧電膜及び前記上部圧電膜のうちの一方はスカンジウム、ボロン、又は、２族元素若しくは１２族元素と４族元素若しくは５族元素とが添加され、他方は窒素、アルミニウム、及びアルゴン以外から選択される元素が添加されてなく且つアルゴン濃度が前記一方のアルゴン濃度よりも低い圧電膜と、
   前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する領域である共振領域が形成されるように設けられた上部電極と、
   前記基板と前記下部電極との間に設けられ、前記圧電膜内に励振された弾性波を反射する音響反射層と、を備える圧電薄膜共振器。
2. 前記上部圧電膜は、前記共振領域の周囲のうちの前記上部電極が前記共振領域から引き出される領域以外の少なくとも一部において前記下部圧電膜の端面よりも内側に収まるように、前記下部圧電膜上に設けられている、請求項１記載の圧電薄膜共振器。
3. 前記下部圧電膜の膜厚と前記上部圧電膜の膜厚とは略同じである、請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
4. 前記下部圧電膜と前記上部圧電膜の間であって前記共振領域の少なくとも一部に設けられ、アルミニウム、金、銅、チタン、白金、タンタル、クロム、又は酸化シリコンからなる膜を備える、請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
5. 前記音響反射層は空隙であり、
   前記上部電極が前記共振領域から引き出される領域における前記下部電極の端は、前記空隙と前記下部圧電膜との間に位置する、請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
6. 請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
7. 請求項６記載のフィルタを含むマルチプレクサ。

Images