JP2009130478A - 圧電振動子およびその製造方法 - Google Patents

圧電振動子およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】周波数調整における結合係数の劣化を低減した圧電フィルタを提供する。
【解決手段】圧電体１の両主面上に第１電極と第２電極を備えて第１の圧電振動子を形成し、第３電極と第４電極を備えて第２の圧電振動子を形成する。第１の圧電振動子の周波数を調整するため、第１電極と第２電極の最表面上には、第１負荷膜と第２負荷膜が形成され、第２の圧電振動子の周波数を調整するため、第３電極と第４電極の最表面上には、第３負荷膜と第４負荷膜が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子を用いた圧電フィルタならびにその製造方法に関する。
携帯機器等の電子機器に内蔵される部品は、より小型化及び軽量化されることが要求されている。例えば、携帯機器に使用されるフィルタには、小型化が要求されると共に、周波数特性の精密な調整が可能であることが要求される。これらの要求を満たすフィルタの１つとして、圧電振動子を用いたフィルタが知られている。
以下、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して、従来の圧電振動子について説明する。図１４Ａは、従来の圧電振動子６０の基本構造を示した断面図である。圧電振動子６０は、圧電体６１を下部電極部６２と上部電極部６３とで挟んだ構造の共振部を有する。この共振部は、キャビティ６４が形成された基板６５の上に載置されている。キャビティ６４は、例えば、微細加工法を用いて、基板６５の裏面から部分的にエッチングすることによって形成可能である。
この圧電振動子６０は、図１４Ｂに示すように、下部電極部６２及び上部電極部６３によって、圧電体６１に厚さ方向の電界を印加することにより、厚さ方向の振動を生じる。この圧電振動子６０の動作について、無限平板の厚み縦振動を用いて説明する。圧電振動子６０は、下部電極部６２と上部電極部６３との間に電界が加えられると、圧電体６１で電気エネルギーが機械エネルギーに変換される。誘起された機械振動は厚さ方向の伸び振動であり、電界と同じ方向に伸び縮みを行う。一般に、圧電振動子６０は、圧電体６１の厚さ方向の共振振動を利用し、厚さが半波長に等しくなる周波数の共振で動作する。図１４Ａに示したキャビティ６４は、この圧電体６１の厚み縦振動を確保するために利用される。
この圧電振動子６０の等価回路は、図１４Ｃの（ａ）に示すように、直列共振と並列共振とを合わせ持ったものとなる。すなわち、コンデンサＣ１、インダクタＬ１及び抵抗Ｒ１からなる直列共振部と、直列共振部に並列接続されたコンデンサＣ０とで構成される。この回路構成によって、等価回路のアドミッタンス周波数特性は、図１４Ｃの（ｂ）に示すように、共振周波数ｆｒでアドミッタンスが極大となり、反共振周波数ｆａでアドミッタンスが極小となる。ここで、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとは、次の関係にある。
ｆｒ＝１／｛２π√（Ｌ１×Ｃ１）｝
ｆａ＝ｆｒ√（１＋Ｃ１／Ｃ０）
このようなアドミッタンス周波数特性を有する圧電振動子６０をフィルタとして応用した場合、圧電体６１の共振振動を利用するため、小型で低損失のフィルタを実現することが可能となる。図１５に示すように、２つの圧電振動子７１、７２を直列と並列に接続し、図１６に示すように、直列圧電振動子の共振周波数と並列圧電振動子の反共振周波数とを略一致させるとバンドパスフィルタを容易に構成することができる。しかし、周波数を一致させるには、直列圧電振動子よりも並列圧電振動子の方を全体的に低い周波数に構成する必要がある。そこで、周波数調整する発明が特許文献１、２等に開示されている。
特許文献１に記載された、従来の周波数調整方法について図１７を参照して説明する。この方法は、周波数調整方法の一つとして一般的な質量負荷構造を用いたものである。図１７は、２つの圧電振動子を用いた圧電フィルタの構成を示す断面図である。
基板１３２上に共振器１４０と１５０を製造するために、第１の底部電極１４２と第２の底部電極１５２が作られ、これらの電極は、それぞれ第１の空洞１４１と第２の空洞１５１にまたがっている。次いで、圧電（ＰＺ）層１３４が両方の第１と第２の底部電極１４２と１５２に作られ、ＰＺ層１３４は、第１の底部電極１４２の上に第１の部分１４４と第２の底部電極１５２の上に第２の部分１５４を有している。次に、表面電極層１３６が、作られ、表面電極１３６は、第１の部分１４４の上に第１のセクション１４６と第２の部分１５４の上に第２のセクション１５６を有している。次に、表面負荷膜１３８が、第１のセクション１４６の上に作られ、好ましくは第１のセクション１４６全体を覆うようにする。表面負荷膜１３８は、導電性材料、絶縁性材料あるいは、その両方を含み、材料の限定はされないが、モリブデン、窒化アルミニウムあるいは二酸化ケイ素を含んでいる。次いで、表面負荷膜１３８は、オーバーエッチングされて第１の表面電極（エッチングされた表面負荷膜１４８と第１のセクション１４６との組み合わせ（１４８＋１４６））を形成する。すなわち表面負荷膜１３８と表面電極層１３６は、同時にエッチングされて第１の表面電極（１４８＋１４６）を形成する。第２の表面電極１５６は、第１の表面電極（１４８＋１４６）を作る工程と同じ工程で作ることができる。表面電極層１３６の第２の表面セクション１５６上には負荷電極が存在しないので、第２のセクション１５６を残して第２の表面電極１５６とし、および第１の表面電極（１４８＋１４６）を残しつつ、表面電極層１３６は、表面電極層１３６の他のすべての部分を削除するようにエッチングされる。以上により、第１の共振器１４０では、表面負荷膜１４８の分、第２の共振器１５０よりも大きな質量負荷が加わることになる。これにより、第１の共振器１４０において周波数が低下し、第１の共振器１４０と第２の共振器１５０とで周波数を異ならせることができる。
次に、図１８は、特許文献２に開示された、別の周波数調整方法を示す。この方法は、特許文献１と同様に、周波数調整方法の一つとして一般的な質量負荷構造を用いたものである。図１８は、２つの圧電振動子を用いた圧電フィルタの断面図を示す。図１８において、第１の薄膜バルク振動子１１１を形成する領域を第１領域、第２の薄膜バルク振動子１１２を形成する領域を第２領域と呼ぶことにする。各々の薄膜バルク振動子のダイヤフラム構造は、それぞれ、単一基板の裏面側に形成された空洞１０９および１１０上に形成され、第１領域の下地層１０２および第２領域の下地層１２１、第１領域の下部電極層１０３および第２領域の下部電極層１０４、第１領域の圧電層１０５および第２領域の圧電層１０６、ならびに第１領域の上部電極層１０７および第２領域の上部電極層１０８を含む。第２領域のダイヤフラム構造の下地層１２１の膜厚ｔ２は、第１領域のダイヤフラム構造の下地層１０２の膜厚ｔ１と比較して厚い。したがって、下地層１２１を含む第２領域のダイヤフラム構造の膜厚Ｔ２が、下地層１０２を含む第１領域のダイヤフラム構造の膜厚Ｔ１よりも厚く、その結果、第１の薄膜バルク振動子１１１の共振周波数と比較して、第２の薄膜バルク振動子１１２の共振周波数は低くなる。
特開２００２−３３５１４１号公報 特開２００５−２２３４７９号公報
上述した特許文献１、２に開示されている発明では、圧電振動子に質量負荷効果を加えることで、所望の共振周波数に調整することができ、複数の異なる共振周波数を有した圧電振動子を実現することで、フィルタを構成することができる。
しかしながら、特許文献１、２に開示の圧電振動子では、図１９（ａ）の理想的な圧電振動子に対し、片方の面にのみ負荷膜を形成し周波数調整を行っている。図１９（ｂ）に、下部電極８２の下に負荷膜８５を形成した構成を示す。図１９（ａ）に示す理想的な圧電振動子では、上下方向の両面が自由空間と接するため、両面が自由端となり基本モードは波長の２分の１で振動し、圧電体８１の厚み方向の中心が振動の節となる。このとき、圧電体８１で利用されるエネルギーは最大となり、圧電振動子の実効的な結合係数は最大となる。しかし、図１９（ｂ）に示すように、一方の面にのみ負荷膜８５が形成されると、振動の節は、負荷膜の形成される方向に変化する。このとき、圧電体８１で利用されるエネルギーは減少させられ、結合係数は劣化することとなる。図１９（ｃ）に負荷膜の膜厚に対する結合係数の大きさを数値計算した結果を示す。横軸を圧電体８１の膜厚で規格化した負荷膜８５の厚み、縦軸を結合係数としている。また、圧電体にＡｌＮ、電極にＭｏ、負荷膜にＳｉＯ２を使用している。図１９（ｃ）に示すように、負荷膜８５の厚みを大きくするほど、結合係数が大きく劣化することが分かる。携帯電話のＷ−ＣＤＭＡシステム（２ＧＨｚ帯）で使用する場合、圧電体の厚みは約１μｍ、所望の周波数調整量（＝負荷膜の厚み）は約０．５μｍとなり、結合係数は、理想的な圧電振動子に比べて１５％程度の劣化となる。
尚、図１９では、下部電極の下にのみ負荷膜を形成した場合について述べたが、上部電極の上にのみ負荷膜を形成した場合も同様の結果となる。
したがって、本発明は、結合係数の劣化度合を改善した周波数調整方法を提供することを目的とする。
また、従来のＦＢＡＲフィルタには転写技術を用いた製造方法が開示されている。この製造方法に上述の特許文献１、２の従来の周波数調整方法を適用すると、歩留まりの劣化が発生する。図２０ならびに図２１に示す転写技術を用いたプロセスフローの一例を利用してそのメカニズムを説明する。
図２０（ａ）に示すように、基板９６上に上部電極９７、圧電体８１、下部電極８２を順次成膜し、下部電極８２をパターニングする。次に、図２０（ｂ）に示すように、下部電極８２上に第１の支持部９４を形成する。次に、図２０（ｃ）に示すように、別の基板９３上に第２の支持部９５を形成する。次に、図２０（ｄ）に示すように、図２０（ｂ）、図２０（ｃ）で作製した２つの基板を第１の支持部９４と第２の支持部９５で接合する。このとき、２つの基板間には、空洞部８７、８８が形成される。次に、図２０（ｅ）に示すように、基板９６を除去し、下部電極８２、圧電体８１、上部電極９７からなる薄膜構造体を転写する。更に、図２１（ａ）に示すように、空洞部８７、８８に対向する領域を残すように上部電極８３、８４を形成することで、下部電極８２、圧電体８１、上部電極８３、８４からなる第１、第２の圧電振動子８９、９０が形成される。次に、図２１（ｂ）に示すように、第１、第２の圧電振動子を覆うように負荷膜９８が形成され、図２１（ｃ）、図２１（ｄ）に示すように第１、第２の圧電振動子８９、９０上の負荷膜９８の厚みを各々調整する。これにより、第１、第２の圧電振動子８９、９０において異なる厚みの負荷膜９８を形成することができ、異なる共振周波数の圧電振動子を接続した圧電フィルタを実現することができる。
しかし、この製造方法においては、図２０（ｅ）で基板９６を除去後、下部電極８２、圧電体８１、上部電極９７（８３、８４）からなる薄膜構造が空洞部８７、８８上に支持された中で、後工程を行う必要があり、工程数が多いほど破壊される可能性が高くなる。その結果、歩留まりが大きく劣化することとなる。
そこで、本発明では、結合係数の劣化度合を改善した周波数調整方法を提供すると同時に転写技術を用いた製造方法における歩留まり劣化を改善する方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の構成の圧電フィルタは、基板と、前記基板上に形成された第１の負荷膜と、前記第１の負荷膜上に形成された下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電体と、前記圧電体上に形成された上部電極と、前記上部電極上に形成された第２の負荷膜を備えた第１と第２の圧電振動子を電気的に接続することで構成される。前記第１の負荷膜と前記第２の負荷膜により前記第１と第２の圧電振動子の共振周波数を調整し、前記第１と第２の圧電振動子の共振周波数を異ならせる。
本発明の第１の構成の圧電フィルタの製造方法は、圧電体の一方の主面上に上部電極を形成する工程と、前記圧電体の他方の主面上に下部電極を形成する工程と、前記上部電極の圧電体が形成される面と対向する面上に第１の負荷膜を形成する工程と、前記下部電極の圧電体が形成される面と対向する面上に第２の負荷膜を形成する工程とを備え、形成される第１、第２の圧電振動子において前記第１の負荷膜と前記第２の負荷膜のそれぞれの厚みを調整し、前記第１と第２の圧電振動子の共振周波数を異ならせる。
本発明の第２の構成の圧電フィルタは、上記課題を解決するため、圧電体の第１の領域を挟持して構成された第１の圧電振動子と、前記圧電体の第２の領域を挟持して構成された第２の圧電振動子とを電気的に接続して構成される圧電フィルタであって、
前記第１の圧電振動子は、
前記圧電体の前記第１の領域の一方の主面上に形成された第１の電極と、
前記第１の電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に形成された第１の負荷膜と、
前記圧電体の前記第１の領域の他方の主面上に形成された第２の電極と、
前記第２の電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に形成された第２の負荷膜と、
を備え、
前記第２の圧電振動子は、
前記圧電体の前記第２の領域の一方の主面上に形成された第１の電極と、
前記第１の電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に形成された第１の負荷膜と、
前記圧電体の前記第２の領域の他方の主面上に形成された第２の電極と、
前記第２の電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に形成された第２の負荷膜と、
を備え、
前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子のそれぞれの前記第１の負荷膜と前記第２の負荷膜とによって前記第１と第２の圧電振動子の共振周波数を調整し、前記第１の圧電振動子の共振周波数と前記第２の圧電振動子の共振周波数とを異ならせたことを特徴とする。
本発明の第２の構成の圧電フィルタの製造方法は、圧電体の第１の領域を挟持して構成された第１の圧電振動子と、前記圧電体の第２の領域を挟持して構成された第２の圧電振動子とを含む圧電フィルタを製造する方法であって、
前記圧電体の前記第１の領域を挟持する第１の圧電振動子を構成する工程には、
前記圧電体の前記第１の領域の一方の主面上に上部電極を形成する工程と、
前記圧電体の前記第１の領域の他方の主面上に下部電極を形成する工程と、
前記上部電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に第１の負荷膜を形成する工程と、
前記下部電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に第２の負荷膜を形成する工程と、
を含み、
前記圧電体の前記第２の領域を挟持する第２の圧電振動子を構成する工程には、
前記圧電体の前記第２の領域の一方の主面上に上部電極を形成する工程と、
前記圧電体の前記第２の領域の他方の主面上に下部電極を形成する工程と、
前記上部電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に第１の負荷膜を形成する工程と、
前記下部電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に第２の負荷膜を形成する工程と、
を含み、
前記第１の圧電振動子と、前記第２の圧電振動子とのそれぞれにおいて、前記第１の負荷膜と前記第２の負荷膜の厚みを調整し、前記第１の圧電振動子の共振周波数と前記第２の圧電振動子の共振周波数とを異ならせる工程と、
を含むことを特徴とする。
また、上記課題を解決するため、前記第１の圧電振動子の前記第１の負荷膜と、前記第２の圧電振動子の前記第１の負荷膜の厚みが等しく、かつ前記第１の圧電振動子の前記第２の負荷膜と、前記第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜の厚みが異なる。前記第１の負荷膜の厚みをＴａ、前記第１の圧電振動子の前記第２の負荷膜の厚みをＴｂ、前記第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜の厚みをＴｃ、前記第１の負荷膜の音速をｖａ、前記第２の負荷膜の音速をｖｂとしたとき、ＴａはＴｂ×ｖａ／ｖｂよりも大きく、Ｔｃ×ｖａ／ｖｂよりも小さく構成されている。
上述した本発明の圧電振動子によれば、振動モードの節が、従来の周波数調整方法に比べ、圧電体の中心方向に近づくため、エネルギーを効率よく使用することができ、良好な結合係数を実現することができる。また、転写工法に本発明の周波数調整方法を適用すると、所望の周波数間隔を実現する調整を転写前（空洞部形成前）に行うことができ、転写後の工程数を削減することにより、歩留まりの劣化を低減することができる。
上記本発明の第１の構成の圧電フィルタにおいて、前記第１の圧電振動子の前記第１の負荷膜と、前記第２の圧電振動子の前記第１の負荷膜が同じ材料で形成されることが好ましい。
前記第１の圧電振動子の前記第２の負荷膜と、前記第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜が同じ材料で形成されることが好ましい。
また、前記第１の負荷膜と前記第２の負荷膜が同じ材料の場合、前記第１の負荷膜と前記第２の負荷膜の厚みは等しいことが好ましい。
また、前記第１の圧電振動子の前記第１の負荷膜と前記第２の圧電振動子の前記第１の負荷膜の厚みが等しく、かつ前記第１の圧電振動子の前記第２の負荷膜と前記第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜の厚みを異ならせることもできる。
その場合、前記第１の負荷膜の厚みをＴａ、前記第１の圧電振動子の前記第２の負荷膜の厚みをＴｂ、前記第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜の厚みをＴｃ、前記第１の負荷膜の音速をｖａ、前記第２の負荷膜の音速をｖｂとしたとき、ＴａはＴｂ×ｖａ／ｖｂよりも大きく、Ｔｃ×ｖａ／ｖｂよりも小さく構成されることが好ましい。
前記第１と第２の圧電振動子の前記第１の負荷膜と、前記第１と第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜が同じ材料で形成されることが好ましい。あるいは、前記第１と第２の圧電振動子の前記第１の負荷膜と、前記第１と第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜とを異なる材料で形成してもよい。
前記基板と前記第１と第２の圧電振動子の間には、空洞部を形成してもよい。その空洞部は転写工法により形成してもよい。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電フィルタの構造例を示す断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した圧電フィルタに含まれる圧電振動子の断面図とその振動モードを示す図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）に示した圧電振動子の上下負荷膜の厚みの割合を変更した場合の結合係数を計算した結果を示すグラフである。ただし、一例として、上下負荷膜の材料は同じものとして計算している。本実施形態に係る圧電フィルタは、図１（ａ）に示すような断面構造を有する。すなわち、圧電体１の一方の領域に対して、下部に下部電極２、更にその下部に第１の負荷膜５が形成され、上部に上部電極３、更にその上部に第２の負荷膜６が形成されて第１の圧電振動子９が構成されている。また、圧電体１の上記領域とは異なる領域に対して、下部に下部電極２、更にその下部に第３の負荷膜７が形成され、上部に上部電極４、更にその上部に第４の負荷膜８が形成されて第２の圧電振動子１０が構成されている。すなわち圧電体１のそれぞれ異なる領域を挟持して第１及び第２の圧電振動子９、１０が構成されている。
下部電極２及び上部電極３は、例えばモリブデン（Ｍｏ）などの金属材料で形成される。圧電体１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料で形成される。
図１（ａ）に示すように、第１、第２の圧電振動子９、１０の厚み方向の両主面に負荷膜を形成することで、従来の周波数調整方法よりも結合係数の劣化を低減することができる。そのメカニズムを図１（ｂ）、図１（ｃ）を用いて説明する。
図１（ｂ）に示すように、圧電振動子２０は、圧電体２１の両主面上に下部電極２２と上部電極２３が形成され、更に下部電極２２の下部に負荷膜２５、上部電極の上部に負荷膜２６が形成されている。この場合、上下電極２２、２３の材料、厚みが等しく、且つ上下負荷膜２５、２６の材料、厚みが等しい場合、その振動モードは厚み方向に対して対称になる。すなわち、振動モードの節は、圧電体２１の厚み方向の中心に位置し、結合係数は最大となる。
尚、このときの共振周波数ｆは以下のように決定される。
（ａ）まず、圧電体２１の音速をｖｐ、厚みをＴｐとした場合、圧電体の共振波長λｐはｖｐ／ｆとなる。
（ｂ）次に、上下電極２２、２３の音速をｖｅ、厚みをＴｅとした場合、電極の共振波長λｅはｖｅ／ｆとなる。
（ｃ）上下負荷膜２５、２６の音速をｖｄ、厚みをＴｄとした場合、負荷膜の共振波長λｄはｖｄ／ｆとなる。
（ｄ）したがって、圧電体ではＴｐ／λｐ倍の共振波長を有し、各電極ではＴｅ／λｅ倍の共振波長を有し、各負荷膜では、Ｔｄ／λｄ倍の共振波長を有するため、
Ｔｐ／λｐ＋Ｔｅ／λｅ×２＋Ｔｄ／λｄ×２＝１／２
となるように、共振周波数ｆが決定される。
図１（ｃ）では、図１（ｂ）に示す圧電振動子において、下部負荷膜２５と上部負荷膜２６の厚みの合計に対する下部負荷膜２５の厚みの割合を横軸とし、図１（ｂ）に示す圧電振動子の結合係数を縦軸としている。すなわち、横軸が０の場合は、下部負荷膜２５が無く、上部負荷膜２６のみの場合の結合係数を示し、横軸が１の場合は、逆に上部負荷膜２６が無く、下部負荷膜２５のみの場合の結合係数を示している。この２点は、従来構造と同じ構造となる。図１（ｃ）に示すように、上部、下部両方に負荷膜２５、２６を形成することで、従来構造よりも結合係数が大きくなっていることがわかる。好ましくは、横軸が０．５となる場合、すなわち前述のように、下部負荷膜２５と上部負荷膜２６の厚みが等しくなる場合において、結合係数は最大となる。
尚、第１から第４の負荷膜５、６、７、８は導電性材料であっても、ＳｉＯ２などの絶縁性材料であっても構わない。
尚、図２に示すように、第１の負荷膜５と第２の負荷膜６、もしくは、第３の負荷膜７と第４の負荷膜８は異なる材料で形成しても構わない。ただし、その場合、異なる材料では、音速が異なるため、第１の負荷膜５（第３の負荷膜７）の音速をｖｄ１、厚みをＴｄ１、第２の負荷膜６（第４の負荷膜８）の音速をｖｄ２、厚みをＴｄ２としたとき、Ｔｄ１／Ｔｄ２＝ｖｄ１／ｖｄ２となるように第１の負荷膜５（第３の負荷膜７）と第２の負荷膜６（第４の負荷膜８）のそれぞれの厚みを決定することで、圧電体の中心に節が位置する。
尚、図１（ａ）では、第１の圧電振動子と第２の圧電振動子において、下部電極２を共通としているが、下部電極ではなく上部電極側で共通としても構わない。ただし、両方の電極を共通とすると一つの圧電振動子として動作するため、必ず一方の電極は電気的に分離されている必要がある。
尚、第１、第２の圧電振動子において、電極が共通化されている側に形成されている負荷膜、例えば図３に示すように下部電極の下側の負荷膜１５は第１、第２の圧電振動子９、１０で厚みの異なる同じ材料として形成しても構わない。
尚、電極が分離されている側の負荷膜は、例えば図４に示すように上部電極３、４の上側の負荷膜１６が絶縁性材料であれば、第１、第２の圧電振動子９、１０で厚みの異なる共通の材料として形成しても構わない。絶縁性材料であれば、上述のように上部電極同士は電気的な分離が保たれる。
ここまで、自由空間中の圧電振動子を利用して説明したが、実際は基板上に支持され構成される。図５に図４の支持構造の断面図を一例として示す。図５に示すように、基板１７上に第１負荷膜１５、下部電極２、圧電体１、上部電極３、第２の負荷膜１６が構成され、第１の圧電振動子９が支持されている。また、基板１７の別の領域には、第１の負荷膜１５、下部電極２、圧電体１、上部電極４、第２の負荷膜１６が構成され、第２の圧電振動子１０が支持されている。第１、第２の負荷膜１５、１６の厚みは、第１、第２の圧電振動子９、１０において、異なるように形成される。また、第１、第２の圧電振動子９、１０の下には、空洞部１８、１９が構成され、自由空間中と同様に振動が確保される。
尚、基板１７内に空洞部１８、１９を形成する構造を示したが、基板を貫通して空洞部を形成する構造や、基板１７と負荷膜１５との間に空洞部を形成する構造でも構わない。
尚、自由空間中と同様の振動を確保する手段として、基板１７と負荷膜１５間に音響ミラー層を形成する構造でも構わない。
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る圧電フィルタの構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態における図１（ｃ）に示したように、圧電振動子の上下面に負荷膜を形成することで、従来構造よりも結合係数を改善することができる。図６に示すように、第１の負荷膜５上に下部電極２が形成され、下部電極２上に圧電体１が設けられ、圧電体１上に上部電極３が形成され、上部電極３上に第２の負荷膜６が形成されて第１の圧電振動子９が構成される。この場合、第１の負荷膜５と第２の負荷膜６の厚みが異なっても構わない。また、第３の負荷膜７上に下部電極２が形成され、下部電極２上に圧電体１が設けられ、圧電体１上に上部電極４が形成され、上部電極４上に第４の負荷膜８が形成されて第２の圧電振動子１０が構成される。この場合、第３の負荷膜７と第４の負荷膜８の厚みが異なっても構わない。このとき、圧電体１の各領域について一方の面の負荷膜同士、例えば第２の負荷膜６と第４の負荷膜８の膜厚を同じ材料、同じ膜厚とし、同一工程で形成することにより、工程数を削減することができる。
ここで、第１、第２の圧電振動子９、１０における、各電極の厚み、圧電体の厚みを等しいとし、第２、第４の負荷膜６、８の波長をλａ、厚みをＴａとし、第１の負荷膜５の波長をλｂ、厚みをＴｂとし、第３の負荷膜７の波長をλｃ、厚みをＴｃとした場合、Ｔａ／λａは、Ｔｂ／λｂよりも大きく、Ｔｃ／λｃよりも小さくすることで、第１、第２の圧電振動子９、１０の結合係数を大きく劣化させることなく、工程数を削減することができる。すなわち、全ての負荷膜が同じ材料の場合、Ｔｂ＜Ｔａ＜Ｔｃとすることで、第１、第２の圧電振動子９、１０の結合係数を大きく劣化させることなく、工程数を削減することができる。上記範囲の膜厚とすることにより、図１（ｃ）に示した最適点である、上下負荷膜の厚みが等しい場合（横軸０．５）を境に、０．５以下の圧電振動子と０．５以上の圧電振動子を構成することができる。これにより、可能な限り最適点の近傍で第１の圧電振動子９と第２の圧電振動子１０を構成できるため、結合係数の劣化を限りなく低減することができる。
尚、図６では、第１の圧電振動子と第２の圧電振動子において、下部電極２を共通としているが、下部電極ではなく上部電極側で共通としても構わない。ただし、両方の電極を共通とすると一つの圧電振動子として動作するため、必ず一方の電極は電気的に分離されている必要がある。
尚、第１、第２の圧電振動子において、電極が共通化されている側に形成されている負荷膜、例えば下部電極の下側の負荷膜５、７は第１、第２の圧電振動子９、１０で厚みの異なる同じ材料として一括形成しても構わない。
尚、電極が分離されている側の負荷膜は、例えば上部電極３、４の上側の負荷膜６、８が絶縁性材料であれば、第１、第２の圧電振動子９、１０で厚みの異なる同じ材料として一括形成しても構わない。絶縁性材料であれば、上述のように上部電極同士は電気的な分離が保たれる。
図７に本発明の第２の実施形態に係る圧電フィルタの支持構造の断面図を示す。図７に示すように、基板１７の一方の領域上に第１負荷膜１５、下部電極２、圧電体１、上部電極３、第２の負荷膜１６が構成され、第１の圧電振動子９が支持されている。また、基板１７の別の領域には、第１の負荷膜１５、下部電極２、圧電体１、上部電極４、第２の負荷膜１６が構成され、第２の圧電振動子１０が支持されている。第１の負荷膜１５の厚みは、第１、第２の圧電振動子９、１０において、異なるように形成されるが、第２の負荷膜１６の厚みは、第１、第２の圧電振動子９、１０において等しくしている。また、第１、第２の圧電振動子９、１０の下には、空洞部１８、１９が構成され、自由空間中と同様に振動が確保される。
尚、基板１７内に空洞部１８、１９を形成する構造を示したが、基板を貫通して空洞部を形成する構造でも構わない。
尚、自由空間中と同様の振動を確保する手段として、基板１７と負荷膜１５間に音響ミラー層を形成する構造でも構わない。
また、図８には、第２の実施形態に係る圧電フィルタの別の支持構造の断面図を示す。この構造は、本発明の第２の実施形態に係る圧電フィルタを作製するため、転写技術を利用した場合の断面構造である。基板１７上に接合された第１、第２の支持部３１、３２を介して、第１の負荷膜１５が形成される。更に、その上に下部電極２、圧電体１、上部電極３、４、第２の負荷膜１６が形成され、第１、第２の圧電振動子９、１０が構成される。また、基板１７と第１の負荷膜１５間には、空洞部１８、１９が構成される。ここで、第２の負荷膜１６を第１、第２の圧電振動子で共通化し、同じ膜厚とすることで、空洞部１８、１９が構成される工程後の工程数を削減することができ、歩留まりの劣化を低減できる。
図９ならびに図１０に示す転写技術を用いたプロセスフローの一例を利用してそのメカニズムを説明する。
（ａ）図９（ａ）に示すように、基板３４上に、上部電極３３、圧電体１、下部電極２を順次成膜し、下部電極２をパターニングする。
（ｂ）次に、図９（ｂ）に示すように、第１の負荷膜１５を形成する。
（ｃ）次に、図９（ｃ）、図９（ｄ）に示すように、第１、第２の圧電振動子９、１０が形成されるそれぞれの領域に形成された第１の負荷膜１５の厚みを第１、第２の圧電振動子９、１０のそれぞれで異なる厚さとなるようにエッチング等により調整する。
（ｄ）次に、図９（ｅ）に示すように、第１の負荷膜１５上に第１の支持部３１を形成する。
（ｅ）次に、図９（ｆ）に示すように、別の基板１７上に第２の支持部３２を形成する。
（ｆ）次に、図１０（ａ）に示すように、図９（ｅ）、図９（ｆ）で作製した２つの基板を第１の支持部３１と第２の支持部３２で接合する。このとき、２つの基板間には、空洞部１８、１９が形成される。
（ｇ）次に、図１０（ｂ）に示すように、基板３４を除去し、下部電極２、圧電体１、上部電極３３からなる薄膜構造体を転写する。
（ｈ）更に、図１０（ｃ）に示すように、空洞部１８、１９に対向する領域を残すように上部電極３、４を形成することで、下部電極２、圧電体１、上部電極３、４からなる第１、第２の圧電振動子９、１０がそれぞれ形成される。
（ｉ）次に、図１０（ｄ）に示すように、第１、第２の圧電振動子をそれぞれ覆うように第２の負荷膜１６が形成され、図１０（ｅ）に示すように第１、第２の圧電振動子９、１０上の第２の負荷膜１６の厚みを一括で同量を調整する。
これにより、第１、第２の圧電振動子９、１０において、それぞれの第１の負荷膜１５の厚みは異なり、それぞれの第２の負荷膜１６の厚みは等しい圧電フィルタを実現することができる。ここで、最終工程である第２の負荷膜１６の調整回数を低減することで、基板３４を除去し、下部電極２、圧電体１、上部電極３３（３、４）からなる薄膜構造が空洞部１８、１９上に支持された状態での工程数を削減することができる。したがって、上下負荷膜の厚さ調整によって従来よりも結合係数を改善し、更に歩留まりを低減することができる。
（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る圧電フィルタの支持構造を示す断面図である。基板上の第１、第２の圧電振動子９、１０が形成される構造に関しては、第２の実施形態と同様である。図１１に示すように、基板１７上に、第１の負荷膜３５が形成され、第１の負荷膜３５上に下部電極２、圧電体１、上部電極３、４、第２の負荷膜１６が形成される。ここで、第２の負荷膜１６の厚みは、第１、第２の圧電振動子９、１０において同じとされる。また、図９、図１０の転写工法のように、第１、第２の圧電振動子９、１０が形成される領域の第１の負荷膜３５の厚みは、別基板上で事前にエッチングにより調整され、その後基板１７に接合される。第１の負荷膜３５はエッチングにより調整された後、基板１７に直接接合されるためエッチングにより削減された領域を空洞部１８、１９として基板１７と第１の負荷膜３５間に形成することができる。これにより、本発明の第２の実施形態に示した転写工法における第１、第２の支持部を形成する工程を削減することができる。また、基板１７上の第１、第２の圧電振動子９、１０が形成される構造に関しては、第２の実施形態と同様であるため、同様に結合係数の劣化を改善し、転写工法の歩留まりを低減することができる。
（第４の実施形態）
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る高周波回路部品を示すブロック図である。本発明の各実施形態における圧電フィルタは、図１２に示すアンテナ共用器４７に用いることができる。同図のアンテナ共用器４７は、送信端子４１、受信端子４２、およびアンテナ端子４３を有し、送信端子４１と受信端子４２間には送信フィルタ４４、移相回路４５、および受信フィルタ４６が順に配置されている。送信フィルタ４４と移相回路４５間にアンテナ端子４３が接続されている。送信フィルタ４４又は受信フィルタ４６の少なくとも一方は、上記いずれかの実施形態に係る圧電フィルタを具備する。
また、本発明の各実施形態における圧電フィルタは、図１３に示す通信機器５７に用いることができる。同図の通信機器５７では、送信端子５１から入った信号がベースバンド部５２を通り、パワーアンプ５３で信号が増幅され、送信フィルタ４４を通りフィルタリングされ、アンテナ５４から電波が送信される。また、アンテナ５４から受信した信号は、受信フィルタ４６を通りフィルタリングされ、ＬＮＡ５５により増幅され、ベースバンド部５２を通り受信端子５６に伝達される。送信フィルタ４４および受信フィルタ４６の少なくとも一方として、上記いずれかの実施形態に係る圧電フィルタが具備される。
本発明の圧電フィルタは、周波数調整を行っても広帯域な特性を維持した圧電振動子を提供することが可能である。また、転写技術により圧電フィルタを作製する際の歩留まりを改善することができ、低コストでの提供が可能となる。したがって、低損失特性、急峻なスカート特性、且つ良好な減衰特性を備えた高周波フィルタや共用器などの高周波回路部品、低損失フィルタ、通信機器に有用である。
（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電フィルタの振動部を示す断面図であり、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電振動子の振動部を示す断面図であり、（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電振動子の効果を示すシミュレーション結果である。 本発明の第１の実施形態に係る別の圧電フィルタの振動部を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別の圧電フィルタの振動部を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別の圧電フィルタの振動部を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別の圧電フィルタの支持構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る圧電フィルタの振動部を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る圧電フィルタの支持構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る圧電フィルタの他の支持構造を示す断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施形態に係る圧電フィルタの他の支持構成におけるプロセスフローを示した図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第２の実施形態に係る圧電フィルタの他の支持構成におけるプロセスフローを示した図である。 本発明の第３の実施形態に係る圧電フィルタの支持構造を示す断面図である。 本発明の圧電フィルタを具備した共用器の構成例を示すブロック図である。 本発明の圧電フィルタを具備した通信機器の構成例を示すブロック図である。 従来の圧電振動子の構成を示す断面図である。 従来の圧電振動子の構成を示す斜視図である。 （ａ）は従来の圧電振動子の等価回路図、（ｂ）は同圧電振動子のアドミッタンス周波数特性を示す図である。 従来の圧電振動子を用いたフィルタの構成図である。 図１２のフィルタの通過特性図である。 従来の圧電フィルタの周波数調整方法を示した断面図である。 従来の他の圧電フィルタの周波数調整方法を示した断面図である。 （ａ）は、従来の周波数調整前の理想的な圧電振動子を示した断面図とその振動モードを示す概略図であり、（ｂ）は、従来の周波数調整を行った圧電振動子を示した断面図とその振動モードを示す概略図であり、（ｃ）は、従来の周波数調整を行った圧電振動子の結合係数をシミュレーションした結果を示すグラフである。 （ａ）〜（ｅ）は、従来の周波数調整方法による転写技術を用いた圧電フィルタのプロセスフローを示した図である。 （ａ）〜（ｄ）は、従来の周波数調整方法による転写技術を用いた圧電フィルタのプロセスフローを示した図である。
符号の説明
１、２１、６１、８１ 圧電体
２、２２、６２、８２、９７ 下部電極
３、４、２３、３３、６３、８３、８４ 上部電極
５、６、７、８、１５、１６、２５、２６、３５、８５、９８ 負荷膜
９、１０、２０、６０、８９、９０ 圧電振動子
１７、３４、６５、９３、９６ 基板
１８、１９、６４ 空洞部
３１、３２、９４、９５ 支持部
４１ 送信端子
４２ 受信端子
４３ アンテナ端子
４４ 送信フィルタ
４５ 移相回路
４６ 受信フィルタ
４７ 共用器
５１ 送信端子
５２ ベースバンド部
５３ パワーアンプ
５４ アンテナ
５５ ＬＮＡ
５６ 受信端子
５７ 通信機器
７１ 直列圧電共振器
７２ 並列圧電共振器

Claims (14)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された第１の負荷膜と、
    前記第１の負荷膜上に形成された下部電極と、
    前記下部電極上に設けられた圧電体と、
    前記圧電体上に形成された上部電極と、
    前記上部電極上に形成された第２の負荷膜と、
    をそれぞれ備えた第１と第２の圧電振動子とを電気的に接続することで構成される圧電フィルタであって、
    前記第１の圧電振動子の前記圧電体と、前記第２の圧電振動子の前記圧電体とは同一の圧電体のそれぞれ異なる領域であって、
    前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子のそれぞれの前記第１の負荷膜と前記第２の負荷膜とによって前記第１と第２の圧電振動子の共振周波数を調整し、前記第１と第２の圧電振動子の共振周波数を異ならせたことを特徴とする圧電フィルタ。
  2. 圧電体の第１の領域を挟持して構成された第１の圧電振動子と、前記圧電体の第２の領域を挟持して構成された第２の圧電振動子とを電気的に接続して構成される圧電フィルタであって、
    前記第１の圧電振動子は、
    前記圧電体の前記第１の領域の一方の主面上に形成された第１の電極と、
    前記第１の電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に形成された第１の負荷膜と、
    前記圧電体の前記第１の領域の他方の主面上に形成された第２の電極と、
    前記第２の電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に形成された第２の負荷膜と、
    を備え、
    前記第２の圧電振動子は、
    前記圧電体の前記第２の領域の一方の主面上に形成された第１の電極と、
    前記第１の電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に形成された第１の負荷膜と、
    前記圧電体の前記第２の領域の他方の主面上に形成された第２の電極と、
    前記第２の電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に形成された第２の負荷膜と、
    を備え、
    前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子のそれぞれの前記第１の負荷膜と前記第２の負荷膜とによって前記第１と第２の圧電振動子の共振周波数を調整し、前記第１の圧電振動子の共振周波数と前記第２の圧電振動子の共振周波数とを異ならせたことを特徴とする圧電フィルタ。
  3. 前記第１の圧電振動子の前記第１の負荷膜と、前記第２の圧電振動子の前記第１の負荷膜とが同じ材料で形成されることを特徴とした請求項１又は２に記載の圧電フィルタ。
  4. 前記第１の圧電振動子の前記第２の負荷膜と、前記第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜とが同じ材料で形成されることを特徴とした請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電フィルタ。
  5. 前記第１の圧電振動子の前記第１の負荷膜の厚みと、前記第２の圧電振動子の前記第１の負荷膜の厚みとが等しく、且つ、
    前記第１の圧電振動子の前記第２の負荷膜の厚みと、前記第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜の厚みとが異なることを特徴とした請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電フィルタ。
  6. 前記第１と第２の圧電振動子の前記第１の負荷膜の厚みをＴａ、前記第１の圧電振動子の前記第２の負荷膜の厚みをＴｂ、前記第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜の厚みをＴｃ、前記第１の負荷膜の音速をｖａ、前記第２の負荷膜の音速をｖｂとしたとき、下記式を満たすことを特徴とする請求項５に記載の圧電フィルタ。
    Ｔｂ×ｖａ／ｖｂ＜Ｔａ＜Ｔｃ×ｖａ／ｖｂ
  7. 前記第１と第２の圧電振動子の前記第１の負荷膜と、前記第１と第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜とが同じ材料で形成されることを特徴とした請求項６に記載の圧電フィルタ。
  8. 前記第１と第２の圧電振動子の前記第１の負荷膜と、前記第１と第２の圧電振動子の前記第２の負荷膜とが異なる材料で形成されることを特徴とした請求項６に記載の圧電フィルタ。
  9. 前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子とを支持する基板をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の圧電フィルタ。
  10. 前記基板と、前記第１及び第２の圧電振動子との間には、空洞部を有することを特徴とした請求項１又は９に記載の圧電フィルタ。
  11. 前記空洞部は、転写工法により形成されたことを特徴とした請求項１０に記載の圧電フィルタ。
  12. 圧電体の第１の領域を挟持して構成された第１の圧電振動子と、前記圧電体の第２の領域を挟持して構成された第２の圧電振動子とを含む圧電フィルタを製造する方法であって、
    前記圧電体の前記第１の領域を挟持する第１の圧電振動子を構成する工程には、
    前記圧電体の前記第１の領域の一方の主面上に上部電極を形成する工程と、
    前記圧電体の前記第１の領域の他方の主面上に下部電極を形成する工程と、
    前記上部電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に第１の負荷膜を形成する工程と、
    前記下部電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に第２の負荷膜を形成する工程と、
    を含み、
    前記圧電体の前記第２の領域を挟持する第２の圧電振動子を構成する工程には、
    前記圧電体の前記第２の領域の一方の主面上に上部電極を形成する工程と、
    前記圧電体の前記第２の領域の他方の主面上に下部電極を形成する工程と、
    前記上部電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に第１の負荷膜を形成する工程と、
    前記下部電極の前記圧電体と接する面と対向する面上に第２の負荷膜を形成する工程と、
    を含み、
    前記第１の圧電振動子と、前記第２の圧電振動子とのそれぞれにおいて、前記第１の負荷膜と前記第２の負荷膜の厚みを調整し、前記第１の圧電振動子の共振周波数と第２の圧電振動子の共振周波数とを異ならせる工程と、
    を含むことを特徴とする圧電フィルタの製造方法。
  13. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の前記圧電フィルタを備えた高周波回路部品。
  14. アンテナ、送信回路および受信回路を備えた通信機器であって、
    前記アンテナと前記送信回路または前記受信回路との接続部、もしくは、前記送信回路および前記受信回路の少なくともいずれか一方に、請求項１３に記載の前記高周波回路部品を備えた通信機器。
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