JP2006246290A - Thin-film piezoelectric resonator and thin-film piezoelectric filter employing the same - Google Patents

Thin-film piezoelectric resonator and thin-film piezoelectric filter employing the same Download PDF

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Kosuke Nishimura
浩介 西村
Takuya Maruyama
卓也 丸山
Kazuki Iwashita
和樹 岩下
Hiroshi Tsuchiya
博史 土屋
Kensuke Tanaka
謙介 田中
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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film piezoelectric resonator including an absorption and/or transmission spectrum that does not contain an irregular component such as spike caused by transverse mode vibration. <P>SOLUTION: The thin-film piezoelectric resonator includes a first dielectric layer having a first face and a second face, a lower electrode constituted of a conductive layer on the first face, and an upper electrode constituted of a conductive layer on the second face. The lower electrode and the upper electrode overlap with each other in at least a portion with the first dielectric layer in between and form a piezoelectric vibration area together with the piezoelectric layer held between the lower electrode and the upper electrode. A second piezoelectric layer is further formed at least on the upper electrode or on the lower electrode so as to cover the piezoelectric vibration area, and no electrode is included on the face of the second piezoelectric layer confronted with the upper electrode or the lower electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、通信機器等に使用される薄膜圧電共振器およびそれを用いた薄膜圧電フィルタに関するものである。   The present invention relates to a thin film piezoelectric resonator used in communication equipment and the like and a thin film piezoelectric filter using the same.

電子装置のコストやサイズをより低く抑える為に、フィルタ素子の小型化へのニーズは常に存在する。携帯電話や小型ラジオ等のような民生用電子機器においては、その中に利用する部品に対してサイズ及びコストの両方に厳しい制限が強いられる。一方そのようなデバイスの多くには、正確に周波数が調整されていなければならないフィルタが利用される。従ってこれまでもより安価でコンパクトなフィルタユニットを供給しようという努力が払われて来た。   In order to keep the cost and size of electronic devices lower, there is always a need for smaller filter elements. In consumer electronic devices such as mobile phones and small radios, strict restrictions are imposed on both the size and cost of the components used therein. On the other hand, many such devices utilize filters that must be precisely tuned in frequency. Thus, efforts have been made to supply cheaper and more compact filter units.

これらのニーズを満たす能力を持つフィルタ素子の中には音響共振器から作られる種類のものが存在する。これらの音響共振器から作られるフィルタ素子として、圧電体層中のバルク縦音波を利用する薄膜圧電共振器がある。単純な構成の1つにおいては、圧電体層が2つの金属電極に挟まれた形になっている。このサンドイッチ構造は、その外周を支持することにより振動を妨げない状態に置かれる。電圧の印加により2つの電極の間に電界が作られると、圧電体層は電気的エネルギーの一部を音波という形の機械的エネルギーへと変換する。音波は電界と同方向で縦に伝搬されて電極/空気間の界面で反射するか、或は電界を横切る方向に伝わり、電極又はその構造体の端部の様々な断絶部において反射する。このとき、前記サンドイッチ構造が複数積み重ねられた積層構造であっても、支持される場所が空気中でなく複数の音響インピーダンスの異なる層により構成された音響ミラー層であっても同様である。   Some filter elements that have the ability to meet these needs are made from acoustic resonators. As a filter element made from these acoustic resonators, there is a thin film piezoelectric resonator using bulk longitudinal acoustic waves in a piezoelectric layer. In one simple configuration, the piezoelectric layer is sandwiched between two metal electrodes. This sandwich structure is placed in a state that does not prevent vibration by supporting the outer periphery thereof. When an electric field is created between the two electrodes by applying a voltage, the piezoelectric layer converts some of the electrical energy into mechanical energy in the form of sound waves. Sound waves propagate longitudinally in the same direction as the electric field and are reflected at the electrode / air interface, or propagate across the electric field and are reflected at various breaks at the end of the electrode or its structure. At this time, even if the sandwich structure is a laminated structure in which a plurality of layers are stacked, the same is true even if the place to be supported is an acoustic mirror layer constituted by a plurality of layers having different acoustic impedances rather than in the air.

この種の薄膜圧電共振器は電気的に結合可能な機械的共振器であり、組み合わせることによってフィルタとしての作用を持つ。材料中を伝わる音のある所定の位相速度に対する機械的共振周波数は、デバイス中を縦に伝わる音波の半波長がデバイスの全厚さに等しくなる周波数である。音の速度は光の速度よりも4桁も低い為、共振器はかなり小さくすることが出来る。GHz領域での応用に使用される共振器は直径300μ未満、厚さ数μの物理寸法に作ることが出来る。   This type of thin film piezoelectric resonator is a mechanical resonator that can be electrically coupled, and has a filter function when combined. The mechanical resonance frequency for a given phase velocity with sound traveling through the material is the frequency at which the half wavelength of the acoustic wave traveling longitudinally through the device is equal to the total thickness of the device. Since the speed of sound is four orders of magnitude lower than the speed of light, the resonator can be made quite small. Resonators used for applications in the GHz range can be made with physical dimensions less than 300 microns in diameter and several microns in thickness.

圧電体層中のバルク縦音波を利用する薄膜圧電共振器は、中心部に1〜2μ程度の厚さの圧電体層があり、その圧電体層の上下を電極で挟む構造をしている。電極に電圧を印加することにより圧電体層を通して電界が作られる。すると電界の一部は機械的な場に変換される。このようにして、薄膜圧電共振器は、材料中を伝わる音のある所定の位相速度に対する機械的共振周波数に応じた共振器として働く。   A thin film piezoelectric resonator using bulk longitudinal acoustic waves in a piezoelectric layer has a piezoelectric layer with a thickness of about 1 to 2 μm at the center, and has a structure in which the upper and lower sides of the piezoelectric layer are sandwiched between electrodes. An electric field is created through the piezoelectric layer by applying a voltage to the electrodes. Then, part of the electric field is converted into a mechanical field. In this way, the thin film piezoelectric resonator acts as a resonator according to the mechanical resonance frequency for a predetermined phase velocity with sound transmitted through the material.

この種の薄膜圧電共振器は、例えば特許文献1や特許文献2に開示されている。   This type of thin film piezoelectric resonator is disclosed in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2.

特開2000−332568号公報JP 2000-332568 A 特開2002−372974号公報JP 2002-372974 A

薄膜圧電共振器における基本振動モードについて、音波は圧縮波であれ剪断波であれ、或はラム波であれ、電極面に対して直角方向に伝搬される。しかしながら、励起され得る他の振動モードが存在する。これらの振動モードは、電極面に並行に移動し圧電振動領域の壁又は電極層の端部の断絶部で反射する音波に対応する。このモードは横モードと呼ばれ、その共振周波数は圧電体層の横共振モードの音響速度により、また金属電極層の横寸法により決まる。これらのモードの基本的周波数は基本モードのものよりもかなり低いが、これらの横モードのより高い高調波が基本モードの周波数帯域中に出現する場合がある。これらの高調波が薄膜圧電共振器の吸収スペクトルにおける複数のスパイク発生の要因となり問題となる。   Regarding the fundamental vibration mode in the thin film piezoelectric resonator, whether the sound wave is a compression wave, a shear wave, or a Lamb wave, it propagates in a direction perpendicular to the electrode surface. However, there are other vibration modes that can be excited. These vibration modes correspond to sound waves that move in parallel with the electrode surface and are reflected at the wall of the piezoelectric vibration region or the cut off portion at the end of the electrode layer. This mode is called a transverse mode, and its resonance frequency is determined by the acoustic velocity of the transverse resonance mode of the piezoelectric layer and the lateral dimension of the metal electrode layer. Although the fundamental frequency of these modes is significantly lower than that of the fundamental mode, higher harmonics of these transverse modes may appear in the fundamental mode frequency band. These harmonics cause a plurality of spikes in the absorption spectrum of the thin film piezoelectric resonator, which is a problem.

本発明は上記の問題点を解決するためになされたものである。即ち、本発明の目的は、横モード振動により生じるスパイクなどの不規則な成分を含まない吸収及び/又は伝送スペクトルを有する薄膜圧電共振器を提供することである。   The present invention has been made to solve the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a thin film piezoelectric resonator having an absorption and / or transmission spectrum that does not include irregular components such as spikes caused by transverse mode vibration.

本発明は、第1の面及び第2の面を有する第1の圧電体層と、前記第1の面上の導電性の層からなる下部電極と、前記第2の面上の導電性の層から成る上部電極とを有する薄膜圧電共振器であり、前記下部電極と前記上部電極とは、前記第1の圧電体層を挟んで少なくとも一部分で重なり合って、前記下部電極と前記上部電極とに挟まれた圧電体層とともに圧電振動領域を形成しており、該圧電振動領域を覆うように少なくとも前記上部電極上または下部電極上にさらに第2の圧電体層が形成されており、前記第2の圧電体層の前記上部電極または下部電極と対向する面上には電極を有さないことを特徴とする薄膜圧電共振器に関する。   The present invention provides a first piezoelectric layer having a first surface and a second surface, a lower electrode composed of a conductive layer on the first surface, and a conductive layer on the second surface. A thin film piezoelectric resonator having an upper electrode made of a layer, wherein the lower electrode and the upper electrode overlap at least partly with the first piezoelectric layer interposed therebetween, and the lower electrode and the upper electrode A piezoelectric vibration region is formed together with the sandwiched piezoelectric layer, and a second piezoelectric layer is further formed on at least the upper electrode or the lower electrode so as to cover the piezoelectric vibration region. The present invention relates to a thin film piezoelectric resonator having no electrode on a surface of the piezoelectric layer facing the upper electrode or the lower electrode.

本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態は、前記第1の圧電体と前記第2の圧電体が同一の材料からなることを特徴とする。   One embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention is characterized in that the first piezoelectric body and the second piezoelectric body are made of the same material.

本発明の薄膜圧電共振器において、前記第2の圧電体層の厚みが前記第1の圧電体層の厚みの25〜35%であることが好ましい。また、前記第2の圧電体層の厚みが前記上部電極の厚みの1.0〜1.8倍であることが好ましい。   In the thin film piezoelectric resonator of the present invention, it is preferable that the thickness of the second piezoelectric layer is 25 to 35% of the thickness of the first piezoelectric layer. Moreover, it is preferable that the thickness of the second piezoelectric layer is 1.0 to 1.8 times the thickness of the upper electrode.

また本発明は、前記本発明の圧電薄膜共振器を複数用いた薄膜圧電フィルタに関する。   The present invention also relates to a thin film piezoelectric filter using a plurality of the piezoelectric thin film resonators of the present invention.

本発明により、従来、横モードが問題となる圧電振動領域を持つ共振器を単純な方法を加えることで横モードにより生じる不規則な成分を含まない吸収及び/又は伝送スペクトルを有する薄膜圧電共振器が提供できる。   According to the present invention, a thin film piezoelectric resonator having an absorption and / or transmission spectrum that does not include an irregular component generated by a transverse mode by adding a simple method to a resonator having a piezoelectric vibration region in which the transverse mode is a problem according to the present invention. Can be provided.

以下、本発明を図面を用いて説明する。図1(a)は、本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す薄膜圧電共振器10の模式的断面図である。本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態は、図1(a)に示すように、第1の面及び第2の面を有する圧電体層12と、前記第1の面上の導電性の層から成る下部電極11と、前記第2の面上の導電性の層から成る上部電極13とを有する。両面に電極を有する圧電体層12は通常空洞15を有する基板16上に形成され、一部は空気と接している。さらに、前記下部電極11の一部は前記圧電体層12を挟んで前記上部電極13の少なくとも一部分に重なり合って圧電振動領域17を形成している。即ち圧電振動領域17とは、圧電体層12の両面に電極11、13が存在し、電圧を印加することにより、圧電体層12の厚み方向に共振の発生する領域であり、シートの厚み方向から見て、前記下部電極11と上部電極13が重なり合っている領域である。ただし、前記下部電極11または上部電極13への配線等は実質的に含まない。本発明の薄膜圧電共振器では、該圧電振動領域17を覆うように少なくとも前記上部電極13上または下部電極上にさらに第2の圧電体層14が形成されていることを特徴としている。図1の実施形態では、第2の圧電体層14は、上部電極上に形成されているが、本発明の薄膜圧電共振器では、第1の圧電体層とは異なる側の下部電極上に第2の圧電体層が形成されてもよい。また、第2の圧電体層は、上部電極上と下部電極上の両方に形成されていてもよい。ただし、下部電極は基板により周囲が固定されており、上部電極が下部電極に比べての自由度が高いため、上部電極上に第2の圧電体層を形成する方が、横モード振動を抑える効果が大きく好ましい。以下、上部電極上に第2の圧電体層を形成した圧電薄膜共振器について説明するが、これに限定されるものではない。なお、本願発明の圧電薄膜共振器は、共振器を複数重ねたStacked Crystal filter(SCF)とは異なる共振器であり、そのため、前記第2の圧電体層の前記上部電極または下部電極と対向する面上には電極を有していない。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a thin film piezoelectric resonator 10 showing an embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention. As shown in FIG. 1A, an embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention includes a piezoelectric layer 12 having a first surface and a second surface, and a conductive layer on the first surface. A lower electrode 11 made of a layer and an upper electrode 13 made of a conductive layer on the second surface are provided. The piezoelectric layer 12 having electrodes on both sides is usually formed on a substrate 16 having a cavity 15, and a part thereof is in contact with air. Further, a part of the lower electrode 11 overlaps at least a part of the upper electrode 13 with the piezoelectric layer 12 interposed therebetween to form a piezoelectric vibration region 17. That is, the piezoelectric vibration region 17 is a region where the electrodes 11 and 13 are present on both surfaces of the piezoelectric layer 12 and resonance occurs in the thickness direction of the piezoelectric layer 12 when a voltage is applied. As seen from the above, the lower electrode 11 and the upper electrode 13 overlap each other. However, the wiring to the lower electrode 11 or the upper electrode 13 is not substantially included. The thin film piezoelectric resonator of the present invention is characterized in that a second piezoelectric layer 14 is further formed on at least the upper electrode 13 or the lower electrode so as to cover the piezoelectric vibration region 17. In the embodiment of FIG. 1, the second piezoelectric layer 14 is formed on the upper electrode. However, in the thin film piezoelectric resonator of the present invention, the second piezoelectric layer 14 is formed on the lower electrode on the side different from the first piezoelectric layer. A second piezoelectric layer may be formed. Further, the second piezoelectric layer may be formed on both the upper electrode and the lower electrode. However, since the periphery of the lower electrode is fixed by the substrate, and the upper electrode has a higher degree of freedom than the lower electrode, the lateral mode vibration is suppressed by forming the second piezoelectric layer on the upper electrode. The effect is large and preferable. Hereinafter, the piezoelectric thin film resonator in which the second piezoelectric layer is formed on the upper electrode will be described, but the present invention is not limited to this. Note that the piezoelectric thin film resonator of the present invention is a resonator different from a stacked crystal filter (SCF) in which a plurality of resonators are stacked, and thus faces the upper electrode or the lower electrode of the second piezoelectric layer. There are no electrodes on the surface.

図1(b)は、前記薄膜圧電共振器の圧電体層の厚み方向から見た前記圧電振動領域17の形(以下圧電振動領域の形という)を示す模式的平面図である。圧電振動領域17の形は、図1(b)では、長さの等しい平行な直線を含む矩形が例示されているが、特にこの矩形に限定されるものではない。従来、この圧電振動領域の形については、特に、平行な直線を含む多角形にすると、薄膜圧電共振器は、横モード振動により不規則な成分を含む吸収及び/又は伝送スペクトルを有するという問題があり、そのため、平行な辺を持たない図2のような圧電振動領域の形が従来より提案されている。しかし、図2のような圧電振動領域の形では、共振器の配置などの設計上の制約があり、実装密度が上がらないことなどから、損失が大きいなど特性へ悪影響を及ぼすなどの問題がある。   FIG. 1B is a schematic plan view showing the shape of the piezoelectric vibration region 17 (hereinafter referred to as the shape of the piezoelectric vibration region) viewed from the thickness direction of the piezoelectric layer of the thin film piezoelectric resonator. The shape of the piezoelectric vibration region 17 is illustrated in FIG. 1B as a rectangle including parallel straight lines having the same length, but is not particularly limited to this rectangle. Conventionally, with regard to the shape of this piezoelectric vibration region, particularly when it is a polygon including parallel straight lines, the thin film piezoelectric resonator has a problem that it has an absorption and / or transmission spectrum including an irregular component due to transverse mode vibration. For this reason, the shape of the piezoelectric vibration region as shown in FIG. 2 having no parallel sides has been proposed. However, in the shape of the piezoelectric vibration region as shown in FIG. 2, there are design restrictions such as the arrangement of the resonators, and there is a problem such as a large loss that adversely affects the characteristics because the mounting density does not increase. .

本発明の薄膜圧電共振器は、該圧電振動領域17を覆うように少なくとも前記上部電極13上にさらに第2の圧電体層14を形成することによって、横モード振動を抑え、横モード振動による不規則な成分(スパイク)を含まない良好な吸収及び/又は伝送スペクトルを有するという特徴を有している。このような薄膜圧電共振器が形成できることで小型で作製容易な共振器、フィルタを提供することができる。   In the thin film piezoelectric resonator of the present invention, the second piezoelectric layer 14 is further formed on at least the upper electrode 13 so as to cover the piezoelectric vibration region 17, thereby suppressing the transverse mode vibration and preventing the transverse mode vibration. It has the characteristic of having a good absorption and / or transmission spectrum free of regular components (spikes). By forming such a thin film piezoelectric resonator, it is possible to provide a resonator and a filter that are small and easy to manufacture.

以下、スパイクの発生原因である振動の横モードについて図3を用いて説明する。圧電振動領域となる前記下部電極と前記上部電極の重なり部分30である圧電振動領域の形が矩形をした、従来型の薄膜圧電共振器を例に説明する。前記矩形は2組の平行な2辺により構成されているので、いかなる点から横モード振動が発生しても平行な辺の1点で反射して同じ点に戻ってくる。例えば、圧電振動領域の境界点31から発生した横モードの波は伝播経路32を通り対面する辺により反射し、再び経路32を戻ってくる。すなわち経路長は2Wである。同様に圧電振動領域の境界点33から発生した横モードについても経路長Wを有する経路34を通り対向する辺により反射し、再び経路34を戻ってくるため経路長は2Wである。このように外周上に同一の周波数を持つ横モード振動が存在することによりスパイクが発生する。   Hereinafter, the transverse mode of vibration that is the cause of the occurrence of spikes will be described with reference to FIG. A conventional thin film piezoelectric resonator in which the shape of the piezoelectric vibration region, which is the overlapping portion 30 of the lower electrode and the upper electrode serving as the piezoelectric vibration region, is rectangular will be described. The rectangle is composed of two sets of two parallel sides, so that even if transverse mode vibration occurs from any point, it is reflected at one point on the parallel side and returns to the same point. For example, a transverse mode wave generated from the boundary point 31 of the piezoelectric vibration region is reflected by the facing side through the propagation path 32 and returns to the path 32 again. That is, the path length is 2W. Similarly, the transverse mode generated from the boundary point 33 of the piezoelectric vibration region is reflected by the opposite side through the path 34 having the path length W and returns again to the path 34, so that the path length is 2W. Thus, spikes are generated by the presence of transverse mode vibration having the same frequency on the outer periphery.

図4は、本発明の薄膜圧電共振器の横モード振動制御の説明図であり、図4(a)は、薄膜圧電共振器の模式的断面図、図4(b)は、上部電極付近の拡大図である。本発明の薄膜圧電共振器の圧電振動領域の形は、特に限定されず、図3のような長さの等しい平行な直線を含む矩形であってもよい。本発明の薄膜圧電共振器は、図4(a)に示すように前記上部電極を2つの圧電体層でサンドイッチした構造となっており、図4(b)に示すように、前記上部電極表面に横モード振動が生じると考えられるが、上部電極表面付近に生じた横モード振動が上下の圧電体層で打ち消されると考えられる。その結果、外周上に同一の周波数を持つ横モード振動による共振あるいは定在波が存在しにくくなることによりスパイクの発生を抑制していると考えられる。   4A and 4B are explanatory views of the transverse mode vibration control of the thin film piezoelectric resonator of the present invention. FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of the thin film piezoelectric resonator, and FIG. It is an enlarged view. The shape of the piezoelectric vibration region of the thin film piezoelectric resonator of the present invention is not particularly limited, and may be a rectangle including parallel straight lines having the same length as shown in FIG. The thin film piezoelectric resonator of the present invention has a structure in which the upper electrode is sandwiched between two piezoelectric layers as shown in FIG. 4A, and the surface of the upper electrode as shown in FIG. 4B. It is considered that the transverse mode vibration occurs in the upper electrode surface, but the transverse mode vibration generated near the upper electrode surface is canceled by the upper and lower piezoelectric layers. As a result, it is considered that the occurrence of spikes is suppressed by making it difficult for resonance or standing waves due to transverse mode vibration having the same frequency on the outer periphery to exist.

本発明の薄膜圧電共振器では、構成部品の制限は特にないが、圧電体層の材料としては、酸化亜鉛(ZnO)や窒化アルミニウム(AlN)が挙げられる。特に窒化アルミニウム(AlN)は、音速が大きく周波数変動/膜圧変動が小さいため量産性に優れ、温度係数についてもZnOの半分以下となるなどの点で好ましい。   In the thin film piezoelectric resonator of the present invention, there are no particular restrictions on the components, but examples of the material for the piezoelectric layer include zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (AlN). In particular, aluminum nitride (AlN) is preferable in that it has a high sound speed and a small frequency fluctuation / film pressure fluctuation, so that it is excellent in mass productivity and has a temperature coefficient of less than half that of ZnO.

また、下部電極および上部電極としては、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)などが挙げられるが、モリブデン(Mo)が比較的安価であり、製造工程における取り扱いの容易さの点から好ましい。   In addition, examples of the lower electrode and the upper electrode include molybdenum (Mo), platinum (Pt), aluminum (Al), etc., but molybdenum (Mo) is relatively inexpensive and easy to handle in the manufacturing process. To preferred.

基板としては、シリコン(Si)、酸化シリコン(SiO)、ガリウム砒素(GaAs)、ガラスなどが挙げられる。 Examples of the substrate include silicon (Si), silicon oxide (SiO 2 ), gallium arsenide (GaAs), and glass.

基板の空洞としては、基板に凹部を形成したものでもよいし、基板の裏面からエッチング等により、空間を形成したものでもよい。また、空洞部を図5に示すように音響インピーダンスの異なる材料層55が交互に重ねられたものに置き換えてもよい。また、本発明の薄膜圧電共振器は、電極層と圧電体層を複数有する積層共振器とし、最上部に本願発明の圧電体層を形成した構造でもよい。   The cavity of the substrate may be one in which a recess is formed in the substrate, or one in which a space is formed by etching or the like from the back surface of the substrate. Further, the hollow portion may be replaced with one in which material layers 55 having different acoustic impedances are alternately stacked as shown in FIG. Moreover, the thin film piezoelectric resonator of the present invention may be a laminated resonator having a plurality of electrode layers and piezoelectric layers, and may have a structure in which the piezoelectric layer of the present invention is formed on the top.

本発明の薄膜圧電共振器では、前記第1の圧電体と前記第2の圧電体が同一の材料からなることが好ましい。圧電体の物性の横モードの音速が等しいほうが電極表面付近で生じる波が打ち消されやすいためである。   In the thin film piezoelectric resonator according to the aspect of the invention, it is preferable that the first piezoelectric body and the second piezoelectric body are made of the same material. This is because waves generated near the electrode surface are more easily canceled when the sound speed of the transverse mode of the physical properties of the piezoelectric body is equal.

また、本発明の薄膜圧電共振器では、前記第2の圧電体層の厚みが前記第1の圧電体層の厚みの25〜35%であることが好ましい。第2の圧電層の厚みが前記第1の圧電体層の厚みの25%より薄いと電極表面付近の横モード発生によるスパイクノイズの抑制が十分でなく、また、第2の圧電層の厚みが前記第1の圧電体層の厚みの35%より厚いとスパイクノイズは抑えられるが圧電特性が劣化してくるためである。   In the thin film piezoelectric resonator of the present invention, it is preferable that the thickness of the second piezoelectric layer is 25 to 35% of the thickness of the first piezoelectric layer. If the thickness of the second piezoelectric layer is less than 25% of the thickness of the first piezoelectric layer, spike noise due to the occurrence of a transverse mode near the electrode surface is not sufficiently suppressed, and the thickness of the second piezoelectric layer is too small. This is because when the thickness of the first piezoelectric layer is more than 35% of the thickness, spike noise is suppressed, but the piezoelectric characteristics deteriorate.

さらに、本発明の薄膜圧電共振器では、前記第2の圧電体層の厚みが前記上部電極の厚みの1.0〜1.8倍であることが好ましい。第2の圧電体層の厚みが前記上部電極の厚みの1.0倍より薄いと電極表面付近の横モード発生によるスパイクノイズの抑制が十分でなく、また、第2の圧電体層の厚みが前記上部電極の厚みの1.8倍より厚いとスパイクノイズは抑えられるが圧電特性が劣化してくるためである。   Furthermore, in the thin film piezoelectric resonator of the present invention, it is preferable that the thickness of the second piezoelectric layer is 1.0 to 1.8 times the thickness of the upper electrode. If the thickness of the second piezoelectric layer is less than 1.0 times the thickness of the upper electrode, the suppression of spike noise due to the occurrence of transverse modes near the electrode surface is not sufficient, and the thickness of the second piezoelectric layer is too small. This is because if the thickness of the upper electrode is greater than 1.8 times, spike noise is suppressed, but the piezoelectric characteristics deteriorate.

本発明の薄膜圧電共振器は、特許文献1や特許文献2など従来知られている製造方法と同様に製造できる。例えば、シリコン(Si)、酸化シリコン(SiO)、ガリウム砒素(GaAs)、ガラスなどにより構成された基板上に、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)などにより構成された底部の電極(下部電極もしくは上部電極)をスパッタリング法などの蒸着法により堆積し、酸化亜鉛(ZnO)や窒化アルミニウム(AlN)などの圧電材料をスパッタリング法などの蒸着法により堆積し、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)などにより構成された頂部の電極(上部電極もしくは下部電極)をスパッタリング法などの蒸着法により堆積し、酸化亜鉛(ZnO)や窒化アルミニウム(AlN)などの圧電材料をスパッタリング法などの蒸着法により堆積することにより薄膜圧電共振器が製造される。このとき、前記底部の電極の下層は空洞の領域もしくは高音響インピーダンスを有するモリブデン(Mo)、タングステン(W)と低音響インピーダンスを有するシリコン(Si)、酸化シリコン(SiO)、アルミニウム(Al)などが交互に重ねられた層により構成された音響ミラー層である。 The thin film piezoelectric resonator of the present invention can be manufactured in the same manner as a conventionally known manufacturing method such as Patent Document 1 and Patent Document 2. For example, on the substrate made of silicon (Si), silicon oxide (SiO 2 ), gallium arsenide (GaAs), glass, etc., the bottom made of molybdenum (Mo), platinum (Pt), aluminum (Al), etc. Electrode (lower electrode or upper electrode) is deposited by a vapor deposition method such as sputtering, and a piezoelectric material such as zinc oxide (ZnO) or aluminum nitride (AlN) is deposited by a vapor deposition method such as sputtering, and molybdenum (Mo). A top electrode (upper electrode or lower electrode) made of platinum (Pt), aluminum (Al) or the like is deposited by a vapor deposition method such as sputtering, and a piezoelectric material such as zinc oxide (ZnO) or aluminum nitride (AlN) is deposited. Thin film piezoelectric resonators are manufactured by depositing materials by vapor deposition such as sputtering. It is. At this time, the lower layer of the bottom electrode is a hollow region or molybdenum (Mo) having high acoustic impedance, tungsten (W), silicon (Si) having low acoustic impedance, silicon oxide (SiO 2 ), aluminum (Al). Is an acoustic mirror layer composed of layers alternately stacked.

本発明の薄膜圧電フィルタは本発明の薄膜圧電共振器を用いたフィルタであり、フィルタ構成の1つとして図6に示すような複数の共振器が信号入力端子線61に対して直列に接続した共振器63,65,67と並列に接続した共振器64,66,68が梯子状に配置されたラダー型フィルタがある。このようなフィルタは、1つの基板上に、前記ラダ−型フィルタの回路構成となるように複数の圧電薄膜共振器を形成することで、製造できる。   The thin film piezoelectric filter of the present invention is a filter using the thin film piezoelectric resonator of the present invention. As one of the filter structures, a plurality of resonators as shown in FIG. There is a ladder type filter in which resonators 64, 66, and 68 connected in parallel with the resonators 63, 65, and 67 are arranged in a ladder shape. Such a filter can be manufactured by forming a plurality of piezoelectric thin film resonators on one substrate so as to have the circuit configuration of the ladder type filter.

(実施例1)
表1に示すような材料、膜厚で図7の薄膜圧電共振器を作製した。その際、圧電振動領域の形は、1辺が180μmの正方形とした。また、共振周波数は1.9GHz程度に設定した。
Example 1
The thin film piezoelectric resonator shown in FIG. 7 was manufactured using the materials and thicknesses shown in Table 1. At that time, the shape of the piezoelectric vibration region was a square having a side of 180 μm. The resonance frequency was set to about 1.9 GHz.

作製した薄膜圧電共振器の一部断面図を図7に示す。   FIG. 7 shows a partial cross-sectional view of the manufactured thin film piezoelectric resonator.

まず、図7に示すようにSi基板76の表面に絶縁層77としてSiOを熱酸化により約1μm形成した。続いて、絶縁層77の上に、空洞を形成するための予備層としてTiをスパッタリング法により50nm堆積した。これを薄膜共振器の圧電振動領域形状に合わせてエッチングによりパターニングを施した。Ti層は他の薄膜層に比べて非常に薄いために図には示していない。 First, as shown in FIG. 7, about 1 μm of SiO 2 was formed on the surface of the Si substrate 76 as the insulating layer 77 by thermal oxidation. Subsequently, 50 nm of Ti was deposited on the insulating layer 77 by a sputtering method as a preliminary layer for forming a cavity. This was patterned by etching in accordance with the shape of the piezoelectric vibration region of the thin film resonator. The Ti layer is not shown in the figure because it is much thinner than the other thin film layers.

続いて、下部電極71としてMoをスパッタリング法により約300nm堆積し、所望の形状とするためにエッチングによりパターニングを行った。続いて、圧電材料としてAlNを用い、AlNをスパッタリング法により約1200nm堆積し第1の圧電体層72を形成し、所望の形状とするためにエッチングによりパターニングを行った。続いて、上部電極73としてMoを下部電極のMoと同様の方法で約300nm堆積し、パターニングを行った。   Subsequently, about 300 nm of Mo was deposited as the lower electrode 71 by sputtering, and patterning was performed by etching to obtain a desired shape. Subsequently, AlN was used as the piezoelectric material, and AlN was deposited by about 1200 nm by a sputtering method to form the first piezoelectric layer 72, and patterning was performed by etching to obtain a desired shape. Subsequently, about 300 nm of Mo was deposited as the upper electrode 73 in the same manner as the Mo of the lower electrode, and patterning was performed.

続いて、横モードのノイズを抑えるために第2の圧電体層74としてAlNを第1圧電体層のAlNと同様な方法で340nm堆積し、パターニングを行った。   Subsequently, in order to suppress transverse mode noise, AlN was deposited as a second piezoelectric layer 74 by a method similar to that for AlN of the first piezoelectric layer 340 nm, followed by patterning.

続いて、第2の圧電体層74から1つの共振器につき4〜5個の10μmφ程度の貫通孔79を空洞形成予備層のTiまでエッチングにより開けた。   Subsequently, 4 to 5 through-holes 79 of about 10 μmφ per resonator were opened by etching from the second piezoelectric layer 74 to Ti of the cavity forming preliminary layer.

続いて、エッチング液を貫通孔79より空洞形成予備層に注入し、空洞形成予備層のTiを除去すると共に、そのパターンの下に接した絶縁層が垂直方向にパターン形状のまま除去されることにより、第1電極下に空洞層75を形成し、本発明における薄膜圧電共振器70を得た。このようにして得た共振器の通過特性を図8に示す。圧電振動領域の横モード振動による影響がなく、スパイクなどの不規則な成分の押さえられた、優れた共振器特性を得ることができた。なお、本実施例で得られた薄膜圧電共振器の第2圧電体層の厚みは、第1圧電体層の29.3%であり、上部電極の1.17倍である。   Subsequently, the etching solution is injected into the cavity formation preliminary layer through the through-hole 79 to remove Ti of the cavity formation preliminary layer, and the insulating layer in contact with the pattern is removed in a pattern shape in the vertical direction. Thus, the cavity layer 75 was formed under the first electrode, and the thin film piezoelectric resonator 70 according to the present invention was obtained. The pass characteristics of the resonator thus obtained are shown in FIG. It was not affected by transverse mode vibrations in the piezoelectric vibration region, and excellent resonator characteristics with suppressed irregular components such as spikes could be obtained. Note that the thickness of the second piezoelectric layer of the thin film piezoelectric resonator obtained in this example is 29.3% of the first piezoelectric layer, which is 1.17 times that of the upper electrode.

(比較例1)
第2の圧電体層を形成しない以外は、実施例1と同様にして薄膜圧電共振器を作製した。共振器のパターン形状、構成の各層の膜厚は実施例1と同様である(表1)。得られた共振器の通過特性を図9に示す。図8に示した、本発明の薄膜圧電共振器に比べ、スパイクなどの不規則な成分が含まれており、好ましい特性は得られなかった。
(Comparative Example 1)
A thin film piezoelectric resonator was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the second piezoelectric layer was not formed. The pattern shape of the resonator and the film thickness of each layer of the configuration are the same as in Example 1 (Table 1). The pass characteristics of the obtained resonator are shown in FIG. Compared with the thin-film piezoelectric resonator of the present invention shown in FIG. 8, irregular components such as spikes were included, and preferable characteristics could not be obtained.

(実施例2)
第2の圧電体層の膜厚が150nmと薄い以外は、実施例1と同様にして薄膜圧電共振器を作製した。共振器のパターン形状、構成の各層の膜厚は実施例1と同様である(表1)。得られた共振器の通過特性は図9に示した比較例1の通過特性にくらべスパイクなどの不規則な成分が抑えられた良好な通過特性が得られたが、実施例1に比べややスパイクが見られた。なお、本実施例で得られた薄膜圧電共振器の第2圧電体層の厚みは、第1圧電体層の29.3%であり、上部電極の0.51倍である。
(Example 2)
A thin film piezoelectric resonator was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the second piezoelectric layer was as thin as 150 nm. The pattern shape of the resonator and the film thickness of each layer of the configuration are the same as in Example 1 (Table 1). The pass characteristics of the obtained resonator were good pass characteristics with suppressed irregular components such as spikes compared with the pass characteristics of Comparative Example 1 shown in FIG. It was observed. Note that the thickness of the second piezoelectric layer of the thin film piezoelectric resonator obtained in this example is 29.3% of the first piezoelectric layer, which is 0.51 times that of the upper electrode.

(実施例3)
第2の圧電体層の膜厚が600nmと厚い以外は、実施例1と同様にして薄膜圧電共振器を作製した。共振器のパターン形状、構成の各層の膜厚は実施例1と同様である(表1)。得られた共振器の通過特性は実施例1のように、スパイクなどの不規則な成分は含まれていなかった。圧電特性(電気機械結合係数Kt2)は、実施例1に比べやや小さい傾向にあった。なお、本実施例で得られた薄膜圧電共振器の第2圧電体層の厚みは、第1圧電体層の29.3%であり、上部電極の2.07倍である。
(Example 3)
A thin film piezoelectric resonator was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the second piezoelectric layer was 600 nm. The pattern shape of the resonator and the film thickness of each layer of the configuration are the same as in Example 1 (Table 1). The pass characteristics of the obtained resonator did not contain irregular components such as spikes as in Example 1. The piezoelectric characteristic (electromechanical coupling coefficient Kt2) tended to be slightly smaller than that of Example 1. Note that the thickness of the second piezoelectric layer of the thin film piezoelectric resonator obtained in this example is 29.3% of the first piezoelectric layer, which is 2.07 times that of the upper electrode.

(実施例4)
表2に示すような材料、膜厚で図6のラダー回路の薄膜圧電共振器をもちいたフィルタを作製した。その際、圧電振動領域の形は、1辺が100〜180μmの範囲の長方形とした。また、共振周波数は1.9GHz程度に設定した。
Example 4
Filters using the thin film piezoelectric resonators of the ladder circuit of FIG. At that time, the shape of the piezoelectric vibration region was a rectangle having one side in a range of 100 to 180 μm. The resonance frequency was set to about 1.9 GHz.

作製した薄膜圧電共振器からなるフィルタの一部断面図を図10に示す。まず、図10に示すようにSi基板96の表面に絶縁層97としてSiOを熱酸化により約1μm形成した。続いて、絶縁層97の上に、空洞を形成するための空洞形成予備層としてTiをスパッタリング法により50nm堆積した(図示せず)。これを各薄膜共振器の圧電振動領域形状に合わせてエッチングによりパターニングを施した。 FIG. 10 shows a partial cross-sectional view of the filter made of the manufactured thin film piezoelectric resonator. First, as shown in FIG. 10, about 1 μm of SiO 2 was formed on the surface of the Si substrate 96 as an insulating layer 97 by thermal oxidation. Subsequently, Ti was deposited by sputtering to a thickness of 50 nm on the insulating layer 97 as a cavity formation preliminary layer for forming a cavity (not shown). This was patterned by etching in accordance with the piezoelectric vibration region shape of each thin film resonator.

続いて、下部電極91としてMoをスパッタリング法により約300nm堆積し、所望の形状とするためにエッチングによりパターニングを行った。続いて、圧電材料としてAlNを用い、AlNをスパッタリング法により約1200nm堆積し第1の圧電体層92を形成し、所望の形状とするためにエッチングによりパターニングを行った。続いて、上部電極93としてMoを下部電極のMoと同様の方法で約300nm堆積し、パターニングを行った。さらに、ラダー回路のシャント共振器の周波数を調整するためにシャント共振器の上に周波数調整電極100としてMoを45nm同様な方法で堆積させた。   Subsequently, about 300 nm of Mo was deposited as the lower electrode 91 by sputtering, and patterning was performed by etching to obtain a desired shape. Subsequently, AlN was used as the piezoelectric material, and AlN was deposited to a thickness of about 1200 nm by a sputtering method to form the first piezoelectric layer 92, and patterning was performed by etching to obtain a desired shape. Subsequently, about 300 nm of Mo was deposited as the upper electrode 93 by the same method as that for the Mo of the lower electrode, and patterning was performed. Further, in order to adjust the frequency of the shunt resonator of the ladder circuit, Mo was deposited on the shunt resonator as a frequency adjusting electrode 100 by a method similar to 45 nm.

続いて、横モードのノイズを抑えるために第2の圧電体層94としてAlNを第1圧電体層のAlNと同様な方法で340nm堆積し、パターニングを行った。   Subsequently, in order to suppress lateral mode noise, AlN was deposited as a second piezoelectric layer 94 at a thickness of 340 nm in the same manner as AlN of the first piezoelectric layer, and was patterned.

続いて、第2の圧電体層94から各共振器につき4〜5個の10μmφ程度の貫通孔99を空洞形成予備層のTiまでエッチングにより開けた。   Subsequently, 4 to 5 through-holes 99 having a diameter of about 10 μm per each resonator were opened from the second piezoelectric layer 94 to Ti as a cavity forming preliminary layer.

続いて、エッチング液を貫通孔99より空洞形成予備層に注入し、空洞形成予備層のTiを除去すると共に、空洞形成予備層の下に接した層の一部も除去することにより、第1電極下に空洞層95を形成し、本発明における薄膜圧電共振器からなるフィルタ90を得た。このようにして得たフィルタの通過特性を図11に示す。圧電振動領域の横モード振動による影響がなく、スパイクなどの不規則な成分が押さえられた、優れたフィルタ特性を得ることができた。なお、本実施例で得られた薄膜圧電共振器の第2圧電体層の厚みは、第1圧電体層の29.3%であり、シャント共振器の周波数調整電極も含めた上部電極の厚みの1.01倍である。   Subsequently, an etchant is injected into the cavity formation preliminary layer from the through-hole 99 to remove Ti in the cavity formation preliminary layer, and also remove a part of the layer in contact with the cavity formation preliminary layer. A cavity layer 95 was formed under the electrode to obtain a filter 90 composed of a thin film piezoelectric resonator according to the present invention. FIG. 11 shows the pass characteristics of the filter thus obtained. Excellent filter characteristics were obtained with no influence of transverse mode vibration in the piezoelectric vibration region, and irregular components such as spikes were suppressed. The thickness of the second piezoelectric layer of the thin film piezoelectric resonator obtained in this example is 29.3% of the first piezoelectric layer, and the thickness of the upper electrode including the frequency adjustment electrode of the shunt resonator. 1.01 times the value.

(比較例2)
第2の圧電体層を形成しない以外は、実施例2と同様にして薄膜圧電共振器を用いたラダー回路フィルタを作製した。フィルタのパターン形状、構成の各層の膜厚、回路は実施例2と同様である(表2)。得られたフィルタの通過特性を図12に示す。図11に示した、本発明のフィルタ特性に比べ、スパイクなどの不規則な成分が含まれており、好ましい特性は得られなかった。
(Comparative Example 2)
A ladder circuit filter using a thin film piezoelectric resonator was produced in the same manner as in Example 2 except that the second piezoelectric layer was not formed. The pattern shape of the filter, the film thickness of each layer of the configuration, and the circuit are the same as in Example 2 (Table 2). The pass characteristics of the obtained filter are shown in FIG. Compared with the filter characteristics of the present invention shown in FIG. 11, irregular components such as spikes are included, and preferable characteristics cannot be obtained.

Figure 2006246290
Figure 2006246290

Figure 2006246290
Figure 2006246290

(a)本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態の模式的断面図、および(b)圧電振動領域を示す模式的平面図である。(A) Typical sectional drawing of one Embodiment of the thin film piezoelectric resonator of this invention, (b) The typical top view which shows a piezoelectric vibration area | region. 従来の薄膜圧電共振器の圧電振動領域の形を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the shape of the piezoelectric vibration area | region of the conventional thin film piezoelectric resonator. 圧電振動領域の横モードによるスパイクノイズを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the spike noise by the transverse mode of a piezoelectric vibration area | region. (a)本発明の薄膜圧電共振器の模式的断面図、および(b)上部電極部分の拡大図である。(A) Typical sectional drawing of thin film piezoelectric resonator of this invention, (b) It is an enlarged view of an upper electrode part. 本発明の薄膜圧電共振器の他の一実施形態の断面図である。It is sectional drawing of other one Embodiment of the thin film piezoelectric resonator of this invention. 本発明による薄膜圧電共振器により構成されたラダー型フィルタの構成図である。It is a block diagram of the ladder type filter comprised by the thin film piezoelectric resonator by this invention. 実施例1で作製した薄膜圧電共振器の模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a thin film piezoelectric resonator manufactured in Example 1. FIG. 実施例1で作製した薄膜圧電共振器の通過特性波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram of pass characteristics of the thin film piezoelectric resonator manufactured in Example 1. 比較例1で得られた従来の薄膜圧電共振器の通過特性波形図である。6 is a pass characteristic waveform diagram of a conventional thin film piezoelectric resonator obtained in Comparative Example 1. FIG. 実施例4で得られた本発明の薄膜圧電共振器を用いた薄膜圧電フィルタの模式的断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a thin film piezoelectric filter using the thin film piezoelectric resonator of the present invention obtained in Example 4. FIG. 実施例4で得られた本発明の薄膜圧電共振器を用いた薄膜圧電フィルタのフィルタ通過特性波形図である。It is a filter passage characteristic waveform figure of the thin film piezoelectric filter using the thin film piezoelectric resonator of the present invention obtained in Example 4. 比較例2で得られた従来の薄膜圧電共振器を用いた薄膜圧電フィルタのフィルタ通過特性波形図である。It is a filter passage characteristic waveform diagram of a thin film piezoelectric filter using a conventional thin film piezoelectric resonator obtained in Comparative Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

10、20、30、63〜68、70 薄膜圧電共振器
11、91 下部電極
12、92 第1の圧電体層
13、93 上部電極
14、94 第2の圧電体層
15、95 空洞領域
17 圧電振動領域
16、96 Si基板
31、33 圧電振動領域境界上の任意の点
32、34 横モード波の伝搬経路
55 音響ミラー
79、99 貫通孔
90 薄膜圧電フィルタ
100 周波数調整用Mo
10, 20, 30, 63 to 68, 70 Thin film piezoelectric resonator 11, 91 Lower electrode 12, 92 First piezoelectric layer 13, 93 Upper electrode 14, 94 Second piezoelectric layer 15, 95 Cavity region 17 Piezoelectric Vibration region 16, 96 Si substrate 31, 33 Arbitrary point 32, 34 on piezoelectric vibration region boundary Transverse mode wave propagation path 55 Acoustic mirror 79, 99 Through-hole 90 Thin film piezoelectric filter 100 Frequency adjusting Mo

Claims (5)

第1の面及び第2の面を有する第1の圧電体層と、前記第1の面上の導電性の層からなる下部電極と、前記第2の面上の導電性の層から成る上部電極とを有する薄膜圧電共振器であり、前記下部電極と前記上部電極とは、前記第1の圧電体層を挟んで少なくとも一部分で重なり合って、前記下部電極と前記上部電極とに挟まれた圧電体層とともに圧電振動領域を形成しており、該圧電振動領域を覆うように少なくとも前記上部電極上または下部電極上にさらに第2の圧電体層が形成されており、前記第2の圧電体層の前記上部電極または下部電極と対向する面上には電極を有さないことを特徴とする薄膜圧電共振器。 A first piezoelectric layer having a first surface and a second surface; a lower electrode comprising a conductive layer on the first surface; and an upper portion comprising a conductive layer on the second surface. A piezoelectric film sandwiched between the lower electrode and the upper electrode, wherein the lower electrode and the upper electrode overlap at least partially across the first piezoelectric layer. A piezoelectric vibration region is formed together with the body layer, and a second piezoelectric layer is further formed on at least the upper electrode or the lower electrode so as to cover the piezoelectric vibration region, and the second piezoelectric layer A thin film piezoelectric resonator having no electrode on a surface facing the upper electrode or the lower electrode. 前記第1の圧電体と前記第2の圧電体が同一の材料からなることを特徴とする請求項1記載の薄膜圧電共振器。 2. The thin film piezoelectric resonator according to claim 1, wherein the first piezoelectric body and the second piezoelectric body are made of the same material. 前記第2の圧電体層の厚みが前記第1の圧電体層の厚みの25〜35%であることを特徴とする請求項2記載の薄膜圧電共振器。 3. The thin film piezoelectric resonator according to claim 2, wherein the thickness of the second piezoelectric layer is 25 to 35% of the thickness of the first piezoelectric layer. 前記第2の圧電体層の厚みが前記上部電極の厚みの1.0〜1.8倍であることを特徴とする請求項3記載の薄膜圧電共振器。 4. The thin film piezoelectric resonator according to claim 3, wherein the thickness of the second piezoelectric layer is 1.0 to 1.8 times the thickness of the upper electrode. 請求項1〜4記載のいずれかに記載の圧電薄膜共振器を複数用いた薄膜圧電フィルタ。
A thin film piezoelectric filter using a plurality of the piezoelectric thin film resonators according to claim 1.
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