JP2009188939A - 薄膜バルク波共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜バルク波共振器の形状に因らずに、スプリアス振動を抑制することのできる薄膜バルク波共振器を提供する。
【解決手段】薄膜バルク波共振器１０は、圧電体膜２１、上部電極２２、及び下部電極２３から成る積層共振体２０と、積層共振体２０の自由振動を確保するために形成されたキャビティ３１を有する基板３０とを備える。積層共振体２０の共振周波数一定という条件下で、圧電体膜２１の膜厚と、上部電極２２及び下部電極２３の膜厚との比率Ｒを調整し、スプリアス振動周波数ｆｓを積層共振体２０の共振周波数ｆｒ又は反共振周波数ｆａに一致させることで、縦モードのスプリアス振動は、積層共振体２０の主振動に一致するようになるので、スプリアス振動は見かけ上現れなくなる。
【選択図】図３

Description

本発明はスプリアス振動を抑制するための共振器構造を有する薄膜バルク波共振器に関する。

無線ＬＡＮや移動体通信機器のバンドパスフィルタを構成する共振子として、薄膜バルク波共振器（Film Bulk Acoustic Resonator）や表面弾性波(Surface Acoustic Wave)共振器など、圧電材料を用いた数々の共振器が実用化されている。特に、薄膜バルク波共振器は、弾性波が膜厚方向に伝搬する構造上、Ｑ値に優れており、急峻なカットオフ特性を有するため、ＧＨｚ帯への応用が期待されている。薄膜バルク波共振器は、基板と、その基板上に形成される積層共振体とを有している。積層共振体は、圧電体膜と、その圧電体膜を上下から挟む一対の上部電極及び下部電極を有しており、上部電極と下部電極との間に高周波信号が印加されると、積層共振体の膜厚が１／２波長に等しくなる共振周波数にて厚み縦方向に励振する。

このような薄膜バルク波共振器では、厚み縦振動の他に、上部電極及び下部電極の面内に平行に伝搬し、積層共振体の端部で反射する横モードのスプリアス振動が励起される。薄膜バルク波共振器をラダー型に組み合わせて成るバンドパスフィルタでは、スプリアス振動が励起されると、フィルタ通過帯域にリップルが発生するため、フィルタ特性の劣化（フィルタの挿入損失や群遅延特性の劣化など）を招くという問題が生じる。このような問題点に鑑み、特開２００７−３００２１６号公報は、楕円形状から成る複数の共振子のそれぞれの楕円比を異ならせることにより、各共振子のスプリアス振動の発生周波数を互いに異ならせ、フィルタ通過帯域のリップルを抑制することを開示している。
特開２００７−３００２１６号公報

しかし、スプリアス振動には、共振子の形状に因らずに、厚み縦方向に励振する縦モードが存在するので、共振子の形状やその比率等を変更するだけでは、フィルタ通過帯域内のリップルを十分に抑制することができない。

そこで、本発明は、薄膜バルク波共振器の形状に因らずに、スプリアス振動を抑制することのできる薄膜バルク波共振器を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる薄膜バルク波共振器は、第一及び第二の主面を有する圧電体膜、第一の主面に形成される上部電極、及び第二の主面に形成される下部電極から成る積層共振体と、積層共振体の自由振動を確保するために形成されたキャビティを有する基板とを備える。積層共振体の共振周波数一定という条件下で、縦モードのスプリアス振動が積層共振体の主振動に一致するように、圧電体膜の膜厚と、上部電極及び下部電極の膜厚との比率が調整されている。本発明者の鋭意検討により、圧電体膜の膜厚と、上部電極及び下部電極の膜厚との比率を調整することで、縦モードのスプリアス振動周波数をシフトできるということが判明したので、縦モードのスプリアス振動が積層共振体の主振動に一致するように、上記比率を調整することで、スプリアス振動を除去できる。

例えば、圧電体膜の膜厚と、上部電極及び下部電極の膜厚との比率は、縦モードのスプリアス振動周波数が積層共振体の共振周波数又は反共振周波数に一致するように調整されているのが好ましい。このように周波数調整することで、厚み縦方向の振動モードを有するスプリアス振動は、積層共振体の主振動に一致するので、積層共振体は、スプリアス振動が帯域内から除去されたのと等価的な振る舞いをする。これにより、見かけ上のスプリアス振動は現れなくなるので、スプリアスとして発生するリップルがノイズではなく、インピーダンス増大を招くことなく、主振動に寄与できる。

本発明によれば、圧電体膜の膜厚と、上部電極及び下部電極の膜厚との比率を調整することで、薄膜バルク波共振器の形状に因らずに、縦モードのスプリアス振動を抑制することができる。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施例について説明する。図面は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率は、現実の共振器構造とは異なる。

図１は本実施形態に係わる薄膜バルク波共振器１０の断面図である。
薄膜バルク波共振器１０は、第一の主面３０Ａ及びこれと反対側の第二の主面３０Ｂを有する基板３０と、第一の主面３０Ａに形成される積層共振体２０とを備える。基板３０の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチングなどの微細加工に適した材質であれば、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英、ガラス基板などが好適である。

積層共振体２０は、第一の主面２１Ａ及びこれと反対側の第二の主面２１Ｂを有する圧電体膜２１と、第一の主面２１Ａに積層される上部電極２２と、第二の主面２１Ｂに積層される下部電極２３とを備える。圧電体膜２１の材質としては、電気機械結合係数が大きく、伝搬損失及びパワーフロー角が小さく、遅延時間温度係数が小さく、伝搬速度の周波数分散性が少ない圧電材料が望ましく、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）などが好適である。上部電極２２及び下部電極２３の材質としては、圧電体膜２１が適度な配向性を形成し得る伝導性材質、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。

基板３０には、積層共振体２０の形成位置に対応する箇所にキャビティ３１が形成されており、積層共振体２０が基板３０に束縛されることなく、厚み方向に自由振動できるように構成されている（ダイヤフラム型構造）。同図に示す例では、キャビティ３１は、第二の主面３０Ｂに対して略垂直に異方性エッチングされてなる貫通穴状の空洞として例示してあるが、このような形状に限られるものではなく、例えば、ウェットエッチング等により形成された断面台形状の空洞でもよい。また、キャビティ３１は、基板３０内部に陥没する窪みに犠牲層を形成し、この犠牲層をウェットエッチングにより除去した後に、基板３０の表面と積層共振体２０との間に形成された空洞であってもよい（エアギャップ型構造）。

上部電極２２及び下部電極２３に高周波信号を印加すると、圧電体膜２１の逆圧電効果により圧電体膜２１はその厚み方向に振動し、電気的共振特性を示す。更に圧電体膜２１に生じる弾性波又は振動は、圧電体膜２１の圧電効果により電気信号に変換される。この弾性波は、圧電体膜２１の厚み方向に主変位を有する厚み縦振動波であり、積層共振体２０の膜厚が１／２波長に等しくなる共振周波数にて励振する。

図２は圧電体膜２１中の変位分布のシミュレーション結果を示している。
有限要素法を用いた三次元シミュレータにより、スプリアス振動の発生している周波数における振動モードを抽出し、３次元モデル化された圧電体膜２１におけるｘ、ｙ、ｚ軸方向の各断面の変位分布を検討した。ここで、紙面右方向（圧電体膜２１の長さ方向）をｘ方向、紙面に直交する向き（圧電体膜２１の奥行き方向）をｙ方向、紙面上方向（圧電体膜２１の膜厚方向）をｚ方向としている。同図に示すように、上部電極２２及び下部電極２３が形成されている圧電体膜２１の振動領域４１と、上部電極２２及び下部電極２３が形成されていない圧電体膜２１の固定領域４２との境界領域４０（上部電極２２及び下部電極２３の外縁部付近）では、ｚ方向（厚み方向）にのみ大きく変位しており、ｘ方向（長さ方向）及びｙ方向（奥行き方向）には、変位は見られなかった。このシミュレーション結果を踏まえると、圧電体膜２１の一部に上部電極２２及び下部電極２３が形成される共振器構造では、圧電体膜２１中の境界部分４０に応力が集中し、厚み縦方向の振動モードを有するスプリアス振動が生じるものと考えられる。

本発明者は、スプリアス振動が厚み縦方向の振動モードを有する点に着眼し、積層共振体２０の共振周波数を一定に保持しつつ、圧電体膜２１の膜厚と、上部電極２２及び下部電極２３の膜厚との比率Ｒを変更することで、スプリアス振動周波数を高周波側及び低周波側の何れにも自在にシフトできることを見出した。本実施形態では、圧電体膜２１の膜厚をｔｐ、上部電極２２及び下部電極２３の膜厚をそれぞれｔｅとしたとき、膜厚比率Ｒ＝ｔｅ／ｔｐ×１００［％］と定義する。

図３は薄膜バルク波共振器１０のアドミッタンス特性を示している。
同図に示すように、薄膜バルク波共振器１０の共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間の帯域内にスプリアス振動周波数ｆｓが存在する。本発明者のシミュレーションによると、共振周波数ｆｒ一定の条件下で、膜厚比率Ｒを大きくする（圧電体膜２１を薄くし、上部電極２２及び下部電極２３を厚くする）と、スプリアス振動周波数ｆｓは、高周波側にシフトすることが確認できた。一方、膜厚比率Ｒを小さくする（圧電体膜２１を厚くし、上部電極２２及び下部電極２３を薄くする）と、スプリアス振動周波数ｆｓは、低周波側にシフトすることが確認できた。膜厚比率Ｒの調整によるスプリアス振動周波数ｆｓの周波数シフトにより、スプリアス振動周波数ｆｓが共振周波数ｆｒ又は反共振周波数ｆａのうち何れか一方に一致すると、厚み縦方向の振動モードを有するスプリアス振動は、主振動に一致するので、積層共振体２０は、スプリアス振動が帯域内から除去されたのと等価的な振る舞いをする。これにより、見かけ上のスプリアス振動は現れなくなるので、スプリアスとして発生するリップルがノイズではなく、インピーダンス増大を招くことなく、主振動に寄与できる。

図４は膜厚比率Ｒとスプリアス振動周波数ｆｓとの関係を示すグラフである。
積層共振体２０の膜厚（共振周波数ｆｒ）やその構成材質（圧電体膜２１、上部電極２２、及び下部電極２３の材質）を変更して、多数のシミュレーションを行ったところ、膜厚比率Ｒとスプリアス振動周波数ｆｓとの関係は、積層共振体２０の膜厚やその構成材質に因らずに線形的であることが判明した。また、膜厚比率Ｒとスプリアス振動周波数ｆｓとの関係を示す一次関数の傾き及び切片は、積層共振体２０の膜厚やその構成材質に依存し、上部電極２２や下部電極２３の形状には依存しないことも判明した。この一次関数の傾き及び切片を求め、スプリアス振動周波数ｆｓが共振周波数ｆｒに一致するときの膜厚比率Ｒｒを算出し、積層共振体２０の膜厚比率をＲｒに調整することで、スプリアス振動周波数ｆｓを共振周波数ｆｒに一致させることができる。同様に、スプリアス振動周波数ｆｓが反共振周波数ｆａに一致するときの膜厚比率Ｒａを算出し、積層共振体２０の膜厚比率をＲａに調整することで、スプリアス振動周波数ｆｓを反共振周波数ｆａに一致させることができる。

膜厚比率Ｒの範囲としては、５％以上４５％未満の範囲が望ましい。膜厚比率Ｒが５％未満であると、上部電極２２や下部電極２３の抵抗増大により、共振抵抗が増大するという不都合が生じ、膜厚比率Ｒが４５％以上であると、上部電極２２や下部電極２３の質量付加効果により、十分な共振特性が得られないためである。また、積層共振体２０の形状がどのような形状であっても、膜厚比率Ｒとスプリアス振動周波数ｆｓとの関係は、一次関数で示すことが可能であり、膜厚比率Ｒの調整により、スプリアス振動周波数ｆｓを高周波側及び低周波側の何れにも自在にシフトさせることが可能であるので、積層共振体２０の形状は、任意の形状（例えば、楕円形、円形、三角形、四角形、多角形など）に加工することが可能である。また、上記の説明では、説明の便宜上、上部電極２２及び下部電極２３の膜厚を同一の膜厚ｔｅに設定する場合を例示したが、本発明は、上部電極２２及び下部電極２３の膜厚がそれぞれ異なる場合にも適用可能である。また、共振周波数ｆｒの範囲としては、例えば、２ＧＨｚ以上６ＧＨｚ以下の範囲が好適であるが、この範囲に限定されるものではない。

図５は本実施形態に係わるフィルタ５０の回路図である。
フィルタ５０は、直列腕共振器５１及び並列腕共振器５２が梯子型に接続されて成るラダー型フィルタである。このようなラダー型フィルタでは、並列腕共振器５２の反共振周波数ｆａ１を直列共振器５１共振周波数ｆｒ２に一致させると、並列腕共振器５２の共振周波数ｆｒ１と、直列腕共振器５１の反共振周波数ｆａ２とをそれぞれ減衰極とし、その間の周波数帯域を通過帯域とするバンドパス特性が得られる。直列腕共振器５１及び並列腕共振器５２として、膜厚比率Ｒの調整によるスプリアス振動周波数ｆｓの周波数シフトにより、スプリアス振動周波数ｆｓが共振周波数ｆｒ又は反共振周波数ｆａのうち何れか一方に一致するように調整された薄膜バルク波共振器１０を用いることで、フィルタ５０の通過帯域内のリップルを抑制することができる。

図６は本実施形態に係わるデュプレクサ６０の回路図である。
デュプレクサ６０は、アンテナ（図示せず）に接続されるアンテナ端子ＡＮＴと、アンテナに送信信号を出力する送信回路（図示せず）に接続される送信信号端子ＴＸと、アンテナを介して受信した受信信号を入力する受信回路（図示せず）に接続される受信信号端子ＲＸと、送信信号を通過させるとともに受信信号を遮断する送信用フィルタ６１と、受信信号を通過させるとともに送信信号を遮断する受信用フィルタ６２とを備える。送信用フィルタ６１と受信用フィルタ６２の何れか一方又は両者は、本実施形態に係わるフィルタ５０を複数段カスケード接続した回路構成を有しており、通過帯域内のリップルを抑制している。

本実施形態に係わる薄膜バルク波共振器の断面図である。 圧電体膜中の変位分布のシミュレーション結果を示す図である。 薄膜バルク波共振器のアドミッタンス特性を示す図である。 膜厚比率Ｒとスプリアス振動周波数ｆｓとの関係を示すグラフである。 本実施形態に係わるフィルタの回路図である。 本実施形態に係わるデュプレクサの回路図である。

符号の説明

１０…薄膜バルク波共振器 ２０…積層共振体 ２１…圧電体膜 ２２…上部電極 ２３…下部電極 ３０…基板 ４０…境界領域 ４１…振動領域 ４２…固定領域 ５０…フィルタ ５１…直列腕共振器 ５２…並列腕共振器 ６０…デュプレクサ

Claims (3)

1. 第一及び第二の主面を有する圧電体膜、前記第一の主面に形成される上部電極、及び前記第二の主面に形成される下部電極から成る積層共振体と、
   前記積層共振体の自由振動を確保するために形成されたキャビティを有する基板と、を備え、
   前記積層共振体の共振周波数一定という条件下で、縦モードのスプリアス振動が前記積層共振体の主振動に一致するように、前記圧電体膜の膜厚と、前記上部電極及び下部電極の膜厚との比率が調整されている、薄膜バルク波共振器。
2. 請求項１に記載の薄膜バルク波共振器であって、
   前記比率は、縦モードのスプリアス振動周波数が前記積層共振体の共振周波数に一致するように調整されている、薄膜バルク波共振器。
3. 請求項１に記載の薄膜バルク波共振器であって、
   前記比率は、縦モードのスプリアス振動周波数が前記積層共振体の反共振周波数に一致するように調整されている、薄膜バルク波共振器。

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