JP2004072715A

JP2004072715A - 圧電薄膜共振子、圧電フィルタ、およびそれを有する電子部品

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Publication number: JP2004072715A
Application number: JP2003117909A
Authority: JP
Inventors: Masaki Takeuchi; 竹内　雅樹; Hajime Yamada; 山田　一; Hideki Kawamura; 河村　秀樹; Daisuke Nakamura; 中村　大佐; Yukio Yoshino; 吉野　幸夫
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2004-03-04
Also published as: US7002437B2; US20040140868A1

Abstract

【課題】共振のＱを高めて、減衰特性に優れた圧電薄膜共振子、それを用いた圧電フィルタ、およびそれを備えた電子部品を提供する。
【解決手段】支持基板２上に圧電薄膜５を形成する。圧電薄膜５を挟んで対向する下部電極４および上部電極６を設ける。下部電極４および上部電極６の少なくとも一方のスティフネスは、圧電薄膜５のスティフネスより大きい。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話等の通信装置の高周波数（ＲＦ、特にＧＨｚ帯以上）段のフィルタに使用される圧電薄膜共振子、それを用いた圧電フィルタ、およびそれを備えたデュプレクサ等の電子部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話等の通信装置の高周波数（ＲＦ、特にＧＨｚ帯以上）段に使用されるフィルタが、優れた各特性を有する圧電共振子を用いて開発されてきた。上記の各特性とは、小型かつ軽量であり、耐振性や耐衝撃性に優れ、製品のバラツキが少なく信頼性に富んでおり、回路の無調整化が図れるため実装の自動化、簡略化が図れ、その上、高周波化を図っても、製造が容易なことである。
【０００３】
上記圧電共振子としては、圧電基板の両面に電極をそれぞれ有し、上記各電極間での、圧電基板の厚み縦振動または厚みすべり振動を利用したものが挙げられる。圧電基板の厚み縦振動を利用した圧電共振子の共振周波数は、圧電基板の厚さに反比例し、超高周波領域では圧電基板を極めて薄く加工する必要がある。
【０００４】
しかし、圧電基板自体の厚さを薄くするのは、その機械的強度や取り扱い上の制限等から、基本モードでは数１００ＭＨｚが実用上の高周波限界とされてきた。このような限界の問題を解決するために、従来、圧電薄膜共振子を用いることが提案されており、フィルタや共振器として提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
このような圧電薄膜共振子では、薄膜支持部は微細加工技術を用いて薄くすることができ、圧電薄膜もスパッタリング等によって薄く形成することができるので、数１００ＭＨｚ〜数１０００ＭＨｚまで高周波特性を延ばすことができる可能性がある。
【０００６】
さらに、共振周波数の温度特性を改善した構造として、共振周波数温度特性が正であるＳｉＯ_２　薄膜と組み合わせた構造が提案されている（特許文献２、特許文献３）。
【０００７】
また、圧電共振子のＱを向上させるため、下部電極、ＡＩＮよりなる圧電体層、上部電極からなる圧電共振子で、電極材料に熱弾性損失が小さいＭｏを用いた構造が提案されている（特許文献４）。
【０００８】
また、電極をＰｔ／Ａｌの２層構造とすることで、電極に占めるＰｔの割合を減らし、比抵抗の小さいＡｌを増やした構造が提案されている（特許文献５）。この場合、電極に占めるＰｔの割合を減らして質量付加効果を小さくし、比抵抗の小さいＡｌを増やすことで電極全体の抵抗を低抵抗化し、圧電共振子のＱ向上など共振特性を向上させることができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−１６８６７４号公報、公開日２００１年６月２２日
【００１０】
【特許文献２】
特開昭５８−１２１８１７号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開昭５８−１３７３１７号公報、公開日１９８３年８月１５日
【００１２】
【特許文献４】
特開２０００−６９５９４号公報、公開日２０００年３月３日
【００１３】
【特許文献５】
特開２００１−１５６５８２号公報、公開日２００１年６月８日
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献５においては、フィルタ特性のバラツキが大きくなったり、高い製造精度が要求されて製造コストが増加したりするという問題を生じている。
【００１５】
また、特許文献２、特許文献３のように、温度特性を改善するために、ＳｉＯ_２　薄膜を組み合わせた場合は、ＳｉＯ_２　のスティフネスが小さいため、圧電共振子のＱが小さくなるという問題を有している。
【００１６】
一方、特許文献４に記載の圧電共振子は、Ｍｏ、ＡｌＮにより構成されているため、ＴＣＦが悪く、また、ＴＣＦの調整ができないという問題があった。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電薄膜共振子は、上記目的を達成するために、支持基板と、支持基板上に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜を挟んで対向する第一電極および第二電極を備え、第一電極および第二電極の少なくとも一方のスティフネスは、圧電薄膜のスティフネスより大きいことを特徴としている。
【００１８】
上記圧電薄膜共振子では、第一電極および第二電極の少なくとも一方、並びに圧電薄膜のスティフネスは、圧電薄膜の振動方向に沿ったものであることが好ましい。
【００１９】
上記構成によれば、第一電極および第二電極の少なくとも一方のスティフネスを、圧電薄膜のスティフネスより大きくしたから、第一電極および第二電極の少なくとも一方は、圧電薄膜の振動方向に沿った弾性体とすることができ、圧電薄膜の共振のＱを大きくでき、フィルタ特性の肩の切れ（単位周波数当たりの減衰量が大きい）を向上できる。
【００２０】
本発明の他の圧電薄膜共振子は、前記目的を達成するために、支持基板と、支持基板上に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜を挟んで対向する第一電極および第二電極を備え、第一電極および第二電極の少なくとも一方は、その下に配向性を有する下地電極を有することを特徴としている。
【００２１】
上記構成によれば、第一電極および第二電極の少なくとも一方の下に配向性を有する下地電極を設けたので、第一電極および第二電極の少なくとも一方の結晶性を向上でき、ひいては圧電薄膜の結晶性も改善できるから、共振特性を向上させることが可能となる。
【００２２】
上記圧電薄膜共振子においては、前記第一電極および第二電極の少なくとも一方のスティフネスは、圧電薄膜のスティフネスより大きいことが好ましい。
【００２３】
上記圧電薄膜共振子では、前記第一電極および第二電極の少なくとも一方、並びに圧電薄膜のスティフネスは、圧電薄膜の振動方向に沿ったスティフネスであることが望ましい。
【００２４】
上記圧電薄膜共振子においては、前記第一電極および第二電極の少なくとも一方が、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｌ合金、エリンバの何れかからなることが好ましい。
【００２５】
上記構成によれば、前記第一電極および第二電極の少なくとも一方に、圧電薄膜のスティフネスより大きいスティフネスを有するＴａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｌ合金、エリンバの何れかを用いたことにより、Ｑ、ｋ^２を大きくでき、共振特性を改善できる。
【００２６】
上記圧電薄膜共振子では、前記下地電極が、Ｔｉ、ＮｉＣｒ、Ｃｒの何れかであることが望ましい。
【００２７】
上記構成によれば、第一電極および第二電極の少なくとも一方の下に設けた下地電極に、Ｔｉ、ＮｉＣｒ、Ｃｒの何れかを用いることで、第一電極および第二電極の少なくとも一方の密着性を向上できて、第一電極および第二電極の少なくとも一方の剥がれを抑制できて、剥がれに起因する特性劣化を軽減できる。
【００２８】
上記圧電薄膜共振子においては、圧電薄膜は、厚み縦振動モードまたは厚みすべり振動モードで励振されるように設定されていてもよい。
【００２９】
上記圧電薄膜共振子では、支持基板は、開口部もしくは凹部を有し、圧電薄膜の振動する部位は、開口部もしくは凹部上に形成されていることが望ましい。
【００３０】
上記構成によれば、圧電薄膜の振動する部位を、開口部もしくは凹部上に形成したので、上記圧電薄膜の振動の抑制を軽減でき、よって、上記圧電薄膜のＱを大きくできる。
【００３１】
上記圧電薄膜共振子においては、圧電薄膜と支持基板との間に絶縁膜が形成されていることが好ましい。
【００３２】
上記構成によれば、圧電薄膜と、それを支持する絶縁膜との比を大きくできて、低次モードでの共振レスポンスを改善できるから、低次モードでの動作を安定化できる。
【００３３】
また、上記構成では、圧電薄膜と絶縁膜とにおける、共振周波数の各温度特性を組み合わせて、それらの合計の温度特性をゼロに近づけることができ、動作時に昇温しても、特性の変化を低減できて、動作信頼性を向上できる。
【００３４】
上記圧電薄膜共振子では、絶縁膜は、複数の互いに温度係数が異なる各絶縁薄膜を有していることが望ましい。
【００３５】
上記構成によれば、圧電薄膜と絶縁膜とにおける、共振周波数の各温度特性を組み合わせて、それらの合計の温度特性をゼロに近づけることをより確実化でき、動作時に昇温しても、特性の変化をより確実に低減できて、動作信頼性をより向上できる。
【００３６】
上記圧電薄膜共振子においては、絶縁膜は、複数の絶縁薄膜からなり、少なくとも一つの絶縁薄膜は圧縮応力を有し、残余の絶縁薄膜は引っ張り応力を備えていることが好ましい。
【００３７】
上記構成によれば、絶縁膜を、少なくとも一つの絶縁薄膜は圧縮応力を有し、残余の絶縁薄膜は引っ張り応力を備えているというように、複数の互いに内部応力の発生機構が異なるものとすることで、圧電薄膜と絶縁膜とにおける、各内部応力を相殺して、ほぼゼロに設定することが可能となるから、動作時の特性の変化をより確実に低減できて、動作信頼性をより向上できる。
【００３８】
上記圧電薄膜共振子では、絶縁膜は、二酸化シリコン膜および酸化アルミニウム膜の少なくとも一方を有していてもよい。
【００３９】
上記圧電薄膜共振子においては、ｎ次（ｎは２以上の整数）モードの振動モードに設定されていることが望ましい。
【００４０】
上記構成によれば、ｎ次（ｎは２以上の整数）モードの振動モードに設定することで、高周波数化しても、圧電薄膜の厚さを確保できて、製造の容易化が図れ、かつ、耐衝撃性や耐電力性の低下も抑制できる。
【００４１】
その上、上記構成では、例えば２次モードの振動モードを用いることにより、圧電薄膜と絶縁膜とにおける、共振周波数の各温度特性を組み合わせて、それらの合計の温度特性をゼロに近づけることを容易化でき、動作時に昇温しても、特性の変化をより低減できて、動作信頼性もより向上できる。
【００４２】
上記圧電薄膜共振子では、圧電薄膜は、酸化亜鉛からなっていてもよい。
【００４３】
本発明の圧電フィルタは、前記目的を達成するために、上記の何れかに記載の圧電薄膜共振子を用いたことを特徴としている。
【００４４】
上記構成によれば、上記各圧電薄膜共振子の何れかを用いたことによって、フィルタ特性を改善できる。
【００４５】
本発明の電子部品は、前記目的を達成するために、上記圧電フィルタを備えたことを特徴としている。
【００４６】
上記構成によれば、上記圧電フィルタを備えたことによって、フィルタ特性を改善できて、例えば、優れた分離能を有するＤＰＸとすることが可能となる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電薄膜共振子、それを用いた圧電フィルタおよびそれを備えた電子部品としてのＤＰＸに係る実施の各形態を図１ないし図１０に基づいて以下に説明する。
【００４８】
（実施の第一形態）
本発明に係る実施の第一形態の圧電薄膜共振子について、その製造方法に基づき、図１を参照しながら説明する。
【００４９】
まず、（１，０，０）のシリコンからなる支持基板２の両面に熱酸化やスパッタリング等により、絶縁膜としての二酸化シリコン（ＳｉＯ_２　）膜１ａ、１ｂをそれぞれ形成する。続いて、一方の面（裏面）側のＳｉＯ_２　膜１ｂに、（１，１，０）方向に平行な辺を有する方形の窓１ｃを形成し、この窓１ｃを備えたＳｉＯ_２　膜１ｂをマスクとして、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウム水溶液）中で、約９０℃で支持基板２のシリコンに対してエッチングを行う。
【００５０】
このＴＭＡＨは、エッチレートの結晶方位依存性が大きいので、エッチングの進行と共に、支持基板２の表面方向である（１，０，０）面と約５５°の角度をなす（１，１，１）面２ａが現れ、支持基板２に、その厚さ方向に貫通する開口部が形成される。
【００５１】
上記エッチングは、表面側のＳｉＯ_２　膜１ａに達すると停止する。このようにエッチングが、ＳｉＯ_２　膜１ａのところで完全に停止するため、スムースな（平滑な）共振子面が得られ、共振子全体の厚さもより正確に設定できる。
【００５２】
その後、支持基板２に対して反対面側のＳｉＯ_２　膜１ａ上に、絶縁膜としてのアルミナ（Ａｌ_２　Ｏ_３　）膜３を真空蒸着またはスパッタリングにより形成して、ＳｉＯ_２　膜１ａおよびＡｌ_２　Ｏ_３　膜３からなるダイヤフラムを作製する。よって、上記ダイヤフラムは、支持基板２における、（１，１，１）面２ａにより形成される開口部（空洞部）に面することになる。
【００５３】
上記ダイヤフラムでは、ＳｉＯ_２　膜１ａが、正の共振周波数温度特性を有し、かつ、圧縮応力を発生するものである一方、Ａｌ_２　Ｏ_３　膜３が、負の共振周波数温度特性を備え、かつ、引っ張り応力を発生するものである。
【００５４】
続いて、上記ダイヤフラム上に、Ａｌからなる下部電極（第一電極）４、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする圧電薄膜５、およびＮｉからなる上部電極（第二電極）６を順次真空蒸着またはスパッタリングおよびエッチングにより形成して、圧電薄膜共振子１０が得られる。上記圧電薄膜５は、負の共振周波数温度特性を備え、かつ、圧縮応力を発生するものである。
【００５５】
このような圧電薄膜共振子１０では、ＳｉＯ_２　膜１ａおよびＡｌ_２　Ｏ_３　膜３からなる絶縁膜、下部電極４、圧電薄膜５、並びに上部電極６から構成される振動部分の全体の厚みで共振周波数が決まる。
【００５６】
また、このような圧電薄膜共振子１０においては、ＳｉＯ_２　膜１ａ、Ａｌ_２　Ｏ_３　膜３、下部電極４、圧電薄膜５、および上部電極６の合計厚さを３μｍ程度に設定でき、ダイヤフラム（振動部）の面積を６００μｍ×６００μｍ程度に設定できる。
【００５７】
また、圧電薄膜共振子１０と共振周波数が相違する他の圧電薄膜共振子についても、位置は異なるが同一の圧電薄膜として圧電薄膜５を用い、下部電極や上部電極の大きさや厚さの設定を変えるだけで同様に作製できる。
【００５８】
上記圧電薄膜共振子１０では、振動モードは２次モードとなるように、ＳｉＯ_２　膜１ａの厚さ、Ａｌ_２　Ｏ_３　膜３の厚さ、下部電極４の面積、圧電薄膜５の厚さ、および上部電極６の面積が設定されていることが好ましい。これにより、上記圧電薄膜共振子１０においては、共振周波数の温度係数（ｐｐｍ／℃）をほぼゼロに設定することを容易化できる。
【００５９】
さらに、上記圧電薄膜共振子１０では、所望する共振周波数の半波長にて共振するように、ＳｉＯ_２　膜１ａとＡｌ_２　Ｏ_３　膜３との合計厚さや、圧電薄膜５と下部電極４と上部電極６との合計厚さをそれぞれ設定されている。つまり、下部電極４と上部電極６の少なくとも一方の厚さは、共振周波数に合わせて設定されていることになる。これにより、上記圧電薄膜共振子１０の振動モードを２次モードとすることをより確実化できる。
【００６０】
その上、上記圧電薄膜共振子１０においては、下部電極４、圧電薄膜５、および上部電極６は、圧電薄膜共振子がエネルギー閉じ込め型となるように設定されていることが好ましい。これにより、振動エネルギーが支持基板２中にダイヤフラムに沿って漏れることを防止して、Ｑの高い共振を生じさせることが可能となる。
【００６１】
このように上記圧電薄膜共振子１０では、絶縁膜（支持膜）であるＳｉＯ_２　膜１ａおよびＡｌ_２　Ｏ_３　膜３の厚さを非常に薄くできることから、１００ＭＨｚ以上の高周波で基本あるいは低次（例えば２次）のオーバトーンで動作する圧電薄膜共振子を実現できる。さらに、上記圧電薄膜共振子１０においては、各膜の温度特性や内部応力を互いに相殺するように設定できるから、温度変化や内部応力による悪影響を回避できる。
【００６２】
また、圧電薄膜共振子のダイヤフラム寸法を数百μｍ以下と非常に小さく、その制作プロセスが半導体集積回路のそれとコンパチブルであることから、集積回路内に組み込むことが可能である。さらに、上記圧電薄膜共振子は、数ＧＨｚでも弾性表面波装置（ＳＡＷデバイス）のようなサブミクロンのパターニングが不要であり、製造を容易化、簡便化できる。
【００６３】
なお、上記圧電薄膜共振子１０においては、ダイヤフラムが開口部に面する例を挙げたが、上記ダイヤフラムは、振動のＱを劣化させる固体ではなく、空気等の気体に面していればよく、上記開口部に代えて、支持基板２に設けた凹部や、支持基板２との間に形成した空隙部に面するように設定してもよく、また圧電薄膜共振子を片持ばり構造や、オーバハング構造であってもよい。
【００６４】
また、圧電薄膜共振子１０は、電極（Ｎｉ、Ａｌなど）、圧電薄膜（ＺｎＯなど）、ダイヤフラム構成膜（Ａｌ_２　Ｏ_３　、ＳｉＯ_２　など）から構成され、好ましくは厚み縦振動モードで振動するが、材料はこれらに限ることなく、圧電薄膜として、ＡｌＮやＰＺＴやＣｄＳなど、ダイヤフラム構成膜として、ＳｉＮなどでもよい。さらに、振動モードは、厚みすべり振動、広がり振動、屈曲振動でもよい。
【００６５】
上部電極６の他の例としては、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、ステンレス系の合金、Ａｌ合金、Ａｌに添加物（例えば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎ）、エリンバ等の恒弾性材料でもよい。上記エリンバとは、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系の合金で、磁気相転移点付近で熱処理することにより膨張係数をコントロールできるものである。
【００６６】
また、上部電極６は、圧電薄膜５の振動波の励振方向（つまり分極方向）に平行な方向のスティフネスが、圧電薄膜５の同方向のスティフネスより大きい、圧電薄膜５が例えばＺｎＯからなるとき、２．３×１０^１１Ｐａより大きくなるように設定されている。
【００６７】
また、下部電極４にも上記材料を用いても同等の効果が得られるが、好ましくは、圧電薄膜５（この場合はＺｎＯ）の振動波が伝わる方向に垂直な方向の格子定数と電極材料の振動波が伝わる方向に垂直な方向の格子定数のミスフィットが５％程度以下であることが望ましい。この場合、下部電極４上に形成される圧電薄膜５の結晶性が向上し、圧電性がさらに向上する。
【００６８】
次に、上部電極６に種々な金属を用いた各例について説明する。まず、図２に示すように、圧電薄膜共振子をそれぞれ調製した。それらの膜厚は、上部電極６としての金属材料は表１に示したもの：０．１８μｍ、圧電薄膜５としてのＺｎＯ：１．２５μｍ、下部電極４としてのＡｌ：０．１８μｍ、Ａｌ_２Ｏ_３：０．４５μｍ、ＳｉＯ_２：１．２μｍとした。
【００６９】
表１に、上部電極６に用いる材料の違いによる共振子の特性を調べた結果を示す。表１から、圧電薄膜５よりスティフネスの小さいＡｌを上部電極に使うよりも、本発明のように圧電薄膜５よりスティフネスが大きいＭｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔａを上部電極６として使ったほうがＱ、ｋ^２　が大きくなっていることが分かる。これは、スティフネスが大きい材料を用いると、振動し易くなるため、圧電共振子の振動エネルギーのロスが低下することに起因している。
【００７０】
なお、ＰｔのスティフネスＣ_１１ ^Ｄは３．４７×１０^１１Ｐａと大きいので、Ｐｔを上部電極６として用いた場合であっても、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔａの場合と同様に、大きなＱ、ｋ^２を得ることができる。
【００７１】
【表１】

【００７２】
上記表１では、スティフネスＣ_ｌｌ ^Ｄの単位を×１０^１１Ｐａとし、また、共振周波数を１８００ＭＨｚ〜２０００ＭＨｚに設定した。さらに、他の材料のスティフネスでは、ＳｉＯ_２のスティフネスＣ_ｌｌ ^Ｄが０．７８５×１０^１１Ｐａ、Ａｌ_２Ｏ_３のスティフネスＣ_ｌｌ ^Ｄが３．７４６×１０^１１Ｐａ、ＡｌＮのスティフネスＣ_ｌｌ ^Ｄが４．１５×１０^１１Ｐａ、ＺｎＯのスティフネスＣ_３３ ^Ｄが２．２９９×１０^１１Ｐａであった。
【００７３】
以下に、上部電極６の材料や膜厚を変えた各例を示す。比較としての圧電薄膜共振子の膜厚構造を「Ａｌ／ＺｎＯ／Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２＝０．１６／１．２７／０．１７／０．４６／１．２１（μｍ）」と設定し、そのフィルタ特性を調べた結果を、図３および表２に示した。
【００７４】
本発明の圧電薄膜共振子の膜厚構造を「Ｎｉ／ＺｎＯ／Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２＝０．１４／１．０８／０．１７／０．４０／１．２０（μｍ）」と設定し、そのフィルタ特性を調べた結果を、図４および表２に示した。
【００７５】
本発明の圧電薄膜共振子の膜厚構造を「Ｐｔ／ＺｎＯ／Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２＝０．１／０．９８／０．１７／０．４０／１．２１（μｍ）」と設定し、そのフィルタ特性を調べた結果を、図５および表２に示した。
【００７６】
本発明の圧電薄膜共振子の膜厚構造を「Ｍｏ／ＺｎＯ／Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２＝０．１４／１．０９／０．１７／０．４０／１．２３（μｍ）」と設定し、そのフィルタ特性を調べた結果を、図６および表２に示した。
【００７７】
【表２】

【００７８】
このような表１および表２の結果から、上部電極６の材料としては、Ｎｉが好ましいことがわかる。
【００７９】
また、下部電極４にＡｌを用いているので、ＺｎＯを主成分とする圧電薄膜５の振動波が伝わる方向に垂直な方向の格子定数と電極材料の振動波が伝わる方向に垂直な方向の格子定数のミスフィットが、約２％であるため、Ａｌ上のＺｎＯ膜の結晶性がよくなり、圧電性がよい。このため、共振特性もよくなる。
【００８０】
なお、上記Ａｌに代えてＰｔを用いた場合でも、同様な効果を発揮できる。Ｐｔは、ＺｎＯ膜との格子定数の差が小さく、また酸化しにくいので、結晶性の良いＺｎＯ膜を得ることができる。よって、Ｐｔは、下部電極４として好適なものである。
【００８１】
本実施の形態では、ＳｉＯ_２を入れることで、ＴＣＦの調整が可能となるが、ＳｉＯ_２のスティフネスが小さいため、初期特性は劣化する。しかし、電極のスティフネスがＳｉＯ_２より大きいため、Ｑを向上させる方向に働く。このことにより、本実施の形態においては、低ＴＣＦで、Ｑの高い圧電共振子を作製することができる。
【００８２】
（実施の第二形態）
図７は、本発明に係る実施の第二形態における圧電薄膜共振子の構造を示す断面である。この圧電薄膜共振子にあっては、実施の第一形態の圧電薄膜共振子とほぼ同様の構造を有する。
【００８３】
詳細には、本発明に係る実施の第二形態の圧電薄膜共振子は、開口部（空洞部）２ａを有するシリコンからなる支持基板２上に、ＳｉＯ_２膜１ａおよびＡｌＮ膜３の絶縁膜（支持膜）からなるダイヤフラムを有し、ダイヤフラム上に、Ｔｉからなる下地電極４ａ、Ｐｔからなる下部電極（第一電極）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする圧電薄膜５、およびＴｉからなる下地電極６ａ、Ｐｔからなる上部電極（第二電極）６ｂとを備えている。
【００８４】
本実施の形態における圧電薄膜共振子は、下部電極４ｂ及び上部電極６ｂは共に、それらの下（支持基板２に近い方の表面上）にＴｉからなる各下地電極４ａ、６ａをそれぞれ有し、Ｔｉは（０，０，１）に優先的に単一配向していることを特徴としている。なお、上記下地電極は、下部電極４ｂ及び上部電極６ｂの一方にのみ設けても、後述する下地電極の効果を発揮できる。
【００８５】
下部電極４ｂ及び上部電極６ｂのＰｔは、上述のように、圧電薄膜５よりスティフネスの大きい材料であるため、電極材料として好適であるが、密着性が弱いため、基板２や絶縁膜のＡｌＮ膜３や圧電薄膜５と、下部電極４ｂ及び上部電極６ｂとが剥がれてしまう等の問題が発生することがある。
【００８６】
そこで、本実施の形態では、下部電極４ｂ及び上部電極６ｂの下に、それぞれ各下地電極４ａ、６ａを設け、各下地電極４ａ、６ａに基板２等との密着力が高い材料であるＴｉを用いているため、下部電極４ｂ及び上部電極６ｂが剥がれることを防止できる。なお、下地電極４ａ、６ａの材料としては、Ｔｉ以外に、Ｃｒ、ＮｉＣｒを用いることができる。
【００８７】
本実施の形態では、下部電極４ｂ及び上部電極６ｂにＰｔを用いたが、本発明はこれに限らず、実施の第一形態で記述したように、下部電極４ｂ及び上部電極６ｂの少なくとも一方に、Ｎｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、ステンレス系の合金、Ａｌ合金、Ａｌに添加物（例えば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎ）、エリンバ等の圧電薄膜５よりスティフネスの大きい材料を用いればよい。これらの材料は、圧電薄膜５よりスティフネスの大きいため、大きなＱ、ｋ^２を有する圧電共振子を得ることができる。
【００８８】
また、下部電極４ｂ及び上部電極６ｂの一方に、弾性波の伝播方向の音響インピーダンスが、圧電薄膜５であるＺｎＯ、ＡｌＮにおける、弾性波の伝播方向の音響インピーダンスよりも大きい材料である、Ｉｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｍｏを用いてもよい。
【００８９】
これらの材料は、弾性波の伝播方向の音響インピーダンスが、圧電薄膜５であるＺｎＯ、ＡｌＮにおける、弾性波の伝播方向の音響インピーダンスよりも大きい材料であるため、弾性波がこれらの膜と圧電薄膜５の界面で反射されるので、圧電薄膜５にエネルギーが閉じこもりやすくなり、共振特性がより向上する。
【００９０】
上記の材料はいずれも、密着力が弱い又は応力が大きいなどの特性を有することから、Ｐｔ同様に、基板２や絶縁膜や圧電薄膜５と、下部電極４ｂ及び上部電極６ｂを形成すると、剥がれてしまう等の問題が発生することがある。
【００９１】
しかしながら、本実施の形態のように、下部電極４ｂ及び上部電極６ｂの下に、それぞれ各下地電極４ａ、６ａを設け、下地電極４ａ、６ａに密着力の大きなＴｉ、Ｃｒ、ＮｉＣｒを用いることで、電極が剥がれるなどの問題を軽減でき、良好な特性を有する圧電薄膜共振子を得ることができる。
【００９２】
また、本実施の形態では、下地電極であるＴｉは（０，０，１）に優先的に単一配向している。Ｔｉは、格子定数が０．２９５ｎｍであり、圧電薄膜５に用いるＺｎＯ（０．３２ｎｍ）やＡｌＮ（０．３１ｎｍ）と格子定数の差が小さい、つまり、格子定数の整合性が良い。
【００９３】
したがって、下地電極４ａ、６ａであるＴｉが（０，０，１）に優先的に単一配向していることで、下部電極４ｂの結晶性も向上し、圧電薄膜５の結晶性も向上し、圧電薄膜５の結晶性が向上する結果として、共振特性は向上することになる。
【００９４】
下部電極４ｂの下地電極４ａとして、密着力の大きさからＴｉ以外にＣｒ、ＮｉＣｒを用いることが考えられるが、圧電薄膜５に用いるＺｎＯ（０．３２ｎｍ）やＡｌＮ（０．３１ｎｍ）との格子定数の差、つまり、格子定数の整合性を考慮すると、ＮｉＣｒの格子定数が０．２５ｎｍであることから、ＮｉＣｒが好ましい。特に、格子定数の整合性を考慮すると、ＮｉＣｒは（１，１，１）に優先的に単一配向していることが好ましい。
【００９５】
これにより、Ｔｉを用いた場合と同様に、下部電極４ｂの結晶性も向上し、圧電薄膜５の結晶性も向上し、圧電薄膜の結晶性が向上する結果として、共振特性は向上することになる。また、下部電極４ｂの結晶性を向上させることで、圧電薄膜共振子の耐電力性が向上するという効果も得られる。
【００９６】
上部電極６ｂの下地電極６ａにおいても同様に、下地電極６ａは、上部電極６ｂの密着層としてだけではなく、配向性を有するために上部電極６ｂの結晶性が向上し、圧電薄膜共振子の耐電力性が向上するという効果も得られる。
【００９７】
次に、上記圧電薄膜共振子１０を用いた圧電フィルタについて図８に基づいて説明する。図８に示すように、圧電フィルタ１１は、図１または図７の圧電薄膜共振子１０をＬ型にラダー接続して形成することができる。また、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、Ｌ型のラダー接続に代えて、Ｔ型やπ型としてもよい。
【００９８】
上記のラダー型の圧電フィルタでは、並列側の圧電薄膜共振子１０における電極のスティフネスを、直列側より大きくすることが望ましい。これにより、並列側の圧電薄膜共振子１０のＱが向上するため、上記のラダー型の圧電フィルタの挿入損失をより低減でき、通過帯域の低周波数側における肩の切れがさらに改善される。
【００９９】
また、図８に示すように、図１または図７の圧電薄膜共振子１０の電極構造を変えた圧電薄膜共振子１２を用いることで、多重モード型フィルタ（圧電フィルタ）１４を構成してもよい。多重モード型フィルタ１４では、その各電極の大きさや質量や、相互間の間隔を調整することで、不平衡信号を平衡信号に変換して外部に出力したり、逆に、平衡信号を不平衡信号に変換して出力したりできる。
【０１００】
このような、平衡−不平衡変換機能を有する多重モード型フィルタ１４と、挿入損失が低い圧電フィルタ１１とを組み合わせて、優れたフィルタ特性と平衡−不平衡変換機能とを同時に実現できる。
【０１０１】
上記圧電フィルタ１１、１４では、上部電極６が弾性体として働くので、圧電薄膜共振子１０のＱが向上するため、圧電フィルタ１１、１４の挿入損失や、肩の切れを向上させることができる。
【０１０２】
本発明に係るＤＰＸは、図１０に示すように、ＡＮＴ（アンテナ）に接続された整合回路５２と、整合回路５２と送信側端子（Ｔｘ）との間に設けられた送信側フィルタ５３と、整合回路５２と受信側端子（Ｒｘ）との間に設けられた受信側フィルタ５４とを有している。送信側フィルタ５３および受信側フィルタ５４は、通過帯域が互いに相違するように設定されている。
【０１０３】
そして、送信側フィルタ５３および受信側フィルタ５４の少なくとも一方は、本発明の圧電フィルタ１１、１４により形成されていることが好ましい。送信側フィルタ５３および受信側フィルタ５４の少なくとも一方に、本発明の圧電フィルタを用いることで、肩の切れがよい、良好なフィルタ特性を有するＤＰＸとすることが可能となる。肩の切れがよいとは、通過帯域の上下端から、所定の減衰量まで落とすのに必要な周波数間隔が小さいことである。
【０１０４】
このような圧電フィルタは、平衡端子と不平衡端子とを有するように設定できるので、ＤＰＸへの応用が容易である。ラダー型フィルタ１１の端子をアンテナ側、不平衡出力を平衡出力に変換する多重モード型フィルタ１４の端子をＩＣなど、内部回路に接続するだけでよく、付加部品なしで、ＤＰＸを構成することができる。
【０１０５】
【発明の効果】
本発明の圧電薄膜共振子は、以上のように、圧電薄膜を挟む第一電極および第二電極の少なくとも一方の厚さは、共振周波数に合わせて設定されており、第一電極および第二電極の少なくとも一方のスティフネスは、圧電薄膜のスティフネスより大きい構成である。
【０１０６】
それゆえ、上記構成は、第一電極および第二電極の少なくとも一方のスティフネスを、圧電薄膜のスティフネスより大きくしたから、第一電極および第二電極の少なくとも一方は、圧電薄膜の振動方向に沿った弾性体とすることができて、圧電薄膜の共振のＱを大きくでき、フィルタ特性の肩の切れ（単位周波数当たりの減衰量が大きい）を向上できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第一形態に係る圧電薄膜共振子の構造を示す断面図である。
【図２】上記圧電薄膜共振子の要部拡大図である。
【図３】上部電極にＡｌを用いた、比較のための圧電薄膜共振子のフィルタ特性を示すグラフである。
【図４】本発明に係る、上部電極にＮｉを用いた圧電薄膜共振子のフィルタ特性を示すグラフである。
【図５】本発明に係る、上部電極にＰｔを用いた圧電薄膜共振子のフィルタ特性を示すグラフである。
【図６】本発明に係る、上部電極にＭｏを用いた圧電薄膜共振子のフィルタ特性を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の第二形態に係る圧電薄膜共振子の構造を示す断面図である。
【図８】上記圧電薄膜共振子を用いた圧電フィルタとしての、ラダー型フィルタおよび多重モード型フィルタの回路ブロック図である。
【図９】上記ラダー型フィルタの各変形例であって、（ａ）はＴ型、（ｂ）はπ型を示す。
【図１０】上記圧電フィルタを備えた電子部品としてのＤＰＸの回路ブロック図である。
【符号の説明】
２　　支持基板（基板）
４　　下部電極（第一電極）
５　　圧電薄膜
６　　上部電極（第二電極）
１０　　圧電薄膜共振子

Claims

支持基板と、
支持基板上に形成された圧電薄膜と、
圧電薄膜を挟んで対向する第一電極および第二電極とを備え、
第一電極および第二電極の少なくとも一方のスティフネスは、圧電薄膜のスティフネスより大きいことを特徴とする圧電薄膜共振子。
第一電極および第二電極の少なくとも一方、並びに圧電薄膜のスティフネスは、圧電薄膜の振動方向に沿ったスティフネス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。
支持基板と、
支持基板上に形成された圧電薄膜と、
圧電薄膜を挟んで対向する第一電極および第二電極とを備え、
第一電極および第二電極の少なくとも一方は、その下に配向性を有する下地電極を有することを特徴とする圧電薄膜共振子。
前記第一電極および第二電極の少なくとも一方のスティフネスは、圧電薄膜のスティフネスより大きいことを特徴とする請求項３記載の圧電薄膜共振子。
前記第一電極および第二電極の少なくとも一方、並びに圧電薄膜のスティフネスは、圧電薄膜の振動方向に沿ったスティフネスであることを特徴とする請求項４記載の圧電薄膜共振子。
前記第一電極および第二電極の少なくとも一方が、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｌ合金、エリンバの何れかからなることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の圧電薄膜共振子。
前記下地電極が、Ｔｉ、ＮｉＣｒ、Ｃｒの何れかであることを特徴とする請求項３ないし６の何れか１項に記載の圧電薄膜共振子。
圧電薄膜は、厚み縦振動モードまたは厚みすべり振動モードで励振されるように設定されていることを特徴とする請求項１ないし７の何れか１項に記載の圧電薄膜共振子。
支持基板は、開口部もしくは凹部を有し、
圧電薄膜の振動する部位は、開口部もしくは凹部上に形成されていることを特徴とする請求項１ないし８の何れか１項に記載の圧電薄膜共振子。
圧電薄膜と支持基板との間に絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし９の何れか１項に記載の圧電薄膜共振子。
絶縁膜は、複数の互いに温度係数が異なる各絶縁薄膜を有していることを特徴とする請求項１０記載の圧電薄膜共振子。
絶縁膜は、複数の絶縁薄膜からなり、少なくとも一つの絶縁薄膜は圧縮応力を有し、残余の絶縁薄膜は引っ張り応力を備えていることを特徴とする請求項１０または１１記載の圧電薄膜共振子。
絶縁膜は、二酸化シリコン膜および酸化アルミニウム膜の少なくとも一方を有していることを特徴とする請求項１１または１２記載の圧電薄膜共振子。
ｎ次（ｎは２以上の整数）の振動モードに設定されていることを特徴とする請求項１ないし１３の何れか１項に記載の圧電薄膜共振子。
圧電薄膜は、酸化亜鉛からなっていることを特徴とする請求項１ないし１４の何れか１項に記載の圧電薄膜共振子。
請求項１ないし１５の何れか１項に記載の圧電薄膜共振子を用いたことを特徴とする圧電フィルタ。
請求項１６記載の圧電フィルタを備えたことを特徴とする電子部品。