JP2009194714A - 圧電薄膜共振子、フィルタ、通信モジュール、および通信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】近年の圧電薄膜共振子フィルタに対する要求に対応すべく、横方向漏れを抑制し、低損失化することができる圧電薄膜共振子、フィルタ、通信モジュール、および通信装置を提供する。
【解決手段】基板５と、基板５上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極１及び下部電極２と、上部電極１と下部電極２との間に配された圧電膜３とを備えた圧電薄膜共振子であって、圧電膜３は、上部電極１と下部電極２とが対向する部位に配され、上部電極１と基板５とが対向する領域の一部に絶縁膜４が形成されている。
【選択図】図１Ｂ
【解決手段】基板５と、基板５上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極１及び下部電極２と、上部電極１と下部電極２との間に配された圧電膜３とを備えた圧電薄膜共振子であって、圧電膜３は、上部電極１と下部電極２とが対向する部位に配され、上部電極１と基板５とが対向する領域の一部に絶縁膜４が形成されている。
【選択図】図１Ｂ
Description
本発明は、圧電薄膜共振子に関する。また、圧電薄膜共振子を用いたフィルタ、通信モジュール、および通信装置に関する。
携帯電話端末に代表される無線機器の急速な普及により、高性能なフィルタ、デュープレクサに対する需要が増加している。圧電薄膜共振子（FBAR:Film Bulk Acoustic Resonator）を用いたフィルタおよびデュープレクサは、特に高周波において低損失で高耐電力な特性が得られるため、弾性表面波フィルタに変わる次世代フィルタ、デュープレクサとして注目されている。圧電薄膜共振子フィルタが本質的に低損失で高耐電力である主たる理由は、共振子の構造が単純であり、高周波化されても電極サイズを確保できるために電気抵抗増加による特性劣化を回避できるからである。しかしながら、近年では弾性表面波フィルタの性能も飛躍的に向上しており、圧電薄膜共振子を用いたフィルタの競争力強化のためにもさらなる高性能化、特に低損失化が必須となってきている。このような背景を受けて、圧電薄膜共振子のさらなる低損失化のための開発が活発に進められている。
圧電薄膜共振子フィルタの損失原因の１つとして、弾性波が上部電極と下部電極が対向した領域（以降、共振部と称する）の外側（以降、非共振部と称する）、つまり、電気信号に再変換され得ない領域に漏れていき、損失となる現象がある。ここでは、この現象を“横方向漏れ”と呼ぶことにする。この横方向漏れの原因は、共振部と非共振部の音速の大小関係に起因するものである。横方向漏れが生じないための音速の大小関係は、使用される圧電膜のポアソン比で決定され、ポアソン比が１／３以上であれば共振部の音速が非共振部よりも遅く、また、ポアソン比が１／３以下であれば共振部の音速が非共振部よりも速い。ここで、ポアソン比１／３以上の圧電膜の場合、共振部に適当な質量付加を与えることで音速が周辺部よりも遅くなり、横方向漏れが比較的簡単に抑制できる。逆に、圧電膜のポアソン比が１／３以下の場合、横方向漏れが生じない音速の関係が逆となり、簡単には横方向漏れを抑制できない。現状の実用的な圧電薄膜共振子フィルタでは、圧電膜としてポアソン比が１／３以下である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が使用されており、横方向漏れの抑制が難しく、損失が増大してしまうという問題が生じていた。
図１０Ａは、従来の圧電薄膜共振子の構造を示す。図１０Ａに示すように、従来の圧電薄膜共振子は、共振部の形状を楕円形としている。図１０Ｂは、図１０ＡにおけるＺ−Ｚ部の断面である。図１０Ｂに示すように、従来の圧電薄膜共振子は、基板１０４上において、圧電膜１０３を挟持するように上部電極１０１及び下部電極１０２を備えている。
図１１Ａは、従来の別の構造を示す。図１１Ｂは、図１１ＡにおけるＺ−Ｚ部の断面である。図１１Ｂに示す構成は、下部電極１０２の端部にテーパ形状を有する傾斜部１０２ａを備えたものである。
特開２００５−１５１３５３号公報
図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、共振部Ｒ１と非共振部Ｒ２の音速の大小関係が横方向漏れを引き起こす関係にあるとき、圧電膜１０３において発生する弾性波Ｗ１は、圧電膜１０３の端部で反射した後（反射波Ｗ３）、圧電膜１０３を通じて共振部Ｒ１から非共振部Ｒ２に向かって横方向に漏れていく（漏洩弾性波Ｗ２）。漏洩弾性波Ｗ２が発生することにより、損失が大きくなってしまう。
また、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、下部電極１０２の端部に傾斜部１０２ａが形成されている場合も同様に、漏洩弾性波Ｗ２が発生して、損失が大きくなってしまう。また、傾斜部１０２ａに沿って斜め成長する圧電膜１０３によって、主振動である厚み縦振動以外の振動モード（不要モード）が発生し、その不要モードによる機械振動を電気振動に再変換してしまうため、効率が劣化する。
本発明の目的は、近年の圧電薄膜共振子フィルタに対する要求に対応すべく、横方向漏れを抑制し、低損失化することができる圧電薄膜共振子、フィルタ、通信モジュール、および通信装置を提供することである。
本発明の圧電薄膜共振子は、基板と、前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振子であって、前記圧電膜は、前記上部電極と前記下部電極とが対向する部位に配され、前記上部電極と前記基板とが対向する領域の一部に絶縁膜が形成されているものである。
本発明によれば、圧電薄膜共振子の横方向漏れを抑制し、低損失化することができ、性能向上を図ることができる。これにより、本発明の圧電薄膜共振子を用いてフィルタを構成すれば、従来よりも低損失な特性が実現可能となる。また、本発明を用いたフィルタを用いて、通信モジュールや通信装置を構成すれば、小型で高性能な特性が実現可能となる。
（実施の形態）
〔１．圧電薄膜共振子の構成〕
図１Ａは、本実施の形態における圧電薄膜共振子の第１の構成を示す。図１Ｂは、図１ＡにおけるＺ−Ｚ部の断面である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、圧電薄膜共振子は、基板５上において、圧電膜３を挟持するように上部電極１と下部電極２とが形成されている。下部電極２は、基板５及び空隙６上に形成されている。また、圧電膜３は、投影面上で空隙６と重なる位置に形成されている。また、上部電極１と基板５との間において、圧電膜３が形成されていない領域には、絶縁膜４が形成されている。本実施の形態は、絶縁膜４を形成したことを主な特徴としている。
〔１．圧電薄膜共振子の構成〕
図１Ａは、本実施の形態における圧電薄膜共振子の第１の構成を示す。図１Ｂは、図１ＡにおけるＺ−Ｚ部の断面である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、圧電薄膜共振子は、基板５上において、圧電膜３を挟持するように上部電極１と下部電極２とが形成されている。下部電極２は、基板５及び空隙６上に形成されている。また、圧電膜３は、投影面上で空隙６と重なる位置に形成されている。また、上部電極１と基板５との間において、圧電膜３が形成されていない領域には、絶縁膜４が形成されている。本実施の形態は、絶縁膜４を形成したことを主な特徴としている。
第１の圧電薄膜共振子においては、漏洩弾性波の発生を低減することができる。具体的には、非共振部Ｒ２（基板５の上部）の圧電膜３をパターニングすることで削除し、共振部Ｒ１（空隙６の上部）のみに圧電膜３を形成することである。共振部Ｒ１は、上部電極１と下部電極２に挟まれた部分の下部電極２の下において弾性波を反射する構造にすることによって形成されるが、下部電極２の下に空隙６を形成することによって、効率よく弾性波を反射することが可能となる。
更に、圧電膜３が除去された領域の一部に絶縁膜４を形成することができる。このような構成とすることで、共振部Ｒ１のみに圧電膜３があるために、非共振部Ｒ２への弾性波Ｗ１の横方向漏れがなくなり、横方向漏れによって生じていた機械振動を電気信号に再変換する際の効率劣化がなくなり、損失を低減することができる。
更に、圧電膜３を除去することによって、上部電極１は圧電膜３と下部電極２の膜厚を合計した膜厚の段差を乗り越える必要が出てくる。通常、上部電極１の膜厚は、圧電膜３と下部電極２の膜厚の合計膜厚よりも薄いことから、圧電膜３を除去しただけでは、上部電極１が断線してしまう。そこで、圧電膜３を除去した部分に絶縁膜４を形成し、上部電極１における段差を無くすあるいは少なくすることによって、上部電極１が断線することを防止することができる。
また、圧電膜３とその圧電膜３の周囲に形成した絶縁膜４との段差Ｓ２は、上部電極１の膜厚Ｓ１よりも小さくすることにより、圧電膜３の表面（上部電極１に接する面）と絶縁膜４の表面（上部電極１に接する面）との表面段差を小さくすることができ、上部電極１の断線を防ぐことができる。
また、圧電膜３の周囲に絶縁膜４を形成したとしても、その絶縁膜４には圧電性がないため、弾性波Ｗ１が絶縁膜４へ伝播することはほとんどなく、弾性波Ｗ１の横方向漏れを防止することができる。
図２Ａは、本実施の形態における圧電薄膜共振子の第２の構成を示す。図２Ｂは、図２ＡにおけるＺ−Ｚ部の断面である。なお、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、図１Ａ及び図１Ｂに示す構成と同様の構成については、同一番号を付与して詳細説明は省略する。第２の圧電薄膜共振子の特徴は、下部電極２の端部に傾斜部２ａを形成したことである。
第２の圧電薄膜共振子においては、圧電膜３とその周囲の絶縁膜４との境界を下部電極２の上面に配置（すなわち、境界を傾斜部２ａの上端よりも下部電極２の上面側の位置に配置）することによって、傾斜部２ａに沿って斜め成長する圧電膜３の影響を除去し、弾性波Ｗ１の横方向漏れを防ぐことができる。
また、このような構成とすることで、主振動である厚み縦振動以外の振動モードが発生することによる、機械振動を電気振動に再変換する際の効率劣化を防ぐことができる。
更に、圧電膜３とその圧電膜３の周囲に形成した絶縁膜４との段差Ｓ１２は、上部電極１の膜厚Ｓ１１よりも小さくすることにより、上部電極１の断線を防ぐことができる。
次に、絶縁膜４の材料について説明する。（表１）は、絶縁膜の材料として酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた場合の、共振Ｑ（クオリティファクタ）、反共振Ｑ、および電気機械結合定数ｋ２を示す。なお、ＡｌＮは従来の絶縁膜である。
絶縁膜４をＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３のいずれかで形成することによって、反共振Ｑおよび電気機械結合定数ｋ２を改善させることができる。なお、少なくとも圧電性がない材料であれば、（表１）に示す材料以外で絶縁膜４を形成することができる。また、（表１）に示す材料の中でも、ＳｉＯ２を用いてＳＯＧ（SOG:Spin-On Glass）による塗布法で絶縁膜４を形成することにより、製造コストを削減することができ、安価な圧電薄膜共振子を形成することができる。
次に、圧電膜３の材料について説明する。本発明による効果は、弾性波Ｗ１の横方向漏れの防止である。この横方向漏れの原因は、共振部Ｒ１と非共振部Ｒ２の音速の大小関係に起因するものである。横方向漏れが生じないための音速の大小関係は、使用される圧電膜３のポアソン比で決定され、ポアソン比が１／３以上であれば共振部Ｒ１の音速が非共振部Ｒ２よりも遅く、また、ポアソン比が１／３以下であれば共振部Ｒ１の音速が非共振部Ｒ２よりも速くなる。ポアソン比が１／３以上の圧電膜３の場合、共振部Ｒ１に適当な質量付加を与えることで、音速が周辺部よりも遅くなり、横方向漏れが比較的簡単に抑制できる。逆に、圧電膜３のポアソン比が１／３以下の場合、横方向漏れが生じない音速の関係が逆となり、簡単には横方向漏れを抑制できない。したがって、本発明の圧電薄膜共振子の構造を用いて横方向漏れを抑制できるのは、圧電膜３のポアソン比が１／３以下のときに効果が大きく、実用的な材料としては例えばＡｌＮがある。
次に、圧電膜３の形成面積について説明する。まず、圧電膜３と上部電極１および下部電極２との関係においては、圧電膜３の形成面積（上部電極１または下部電極２との接触面積）は上部電極１と下部電極２とが対向する面積（投影面積）よりも小さくすることによって、弾性波Ｗ１の非共振部Ｒ２への横方向漏れを防ぐことができる。
更に、圧電膜３と空隙６との関係においては、圧電膜３の形成面積（上部電極１または下部電極２との接触面積）は、空隙６の面積（下部電極２における空隙６に接している部分の面積）よりも小さくすることによって、共振部Ｒ１自体が自由に振動できるようになり、良好な特性の圧電薄膜共振子を得ることができる。
次に、パターニングされた圧電膜３の端部から反射される弾性波（反射波Ｗ３）について考える。図１Ｂに示すように、パターニングされた圧電膜３の端部では、弾性波Ｗ１のほとんどが反射され、反射波Ｗ３が発生する。さらに、この反射波Ｗ３は、横方向漏れがないために共振部Ｒ１内に閉じ込められることになる。そして、この反射波Ｗ３が共振部Ｒ１内で横方向の定在波として存在した場合、通過帯域内にリップルを生じさせ、応用上問題となることがある。この反射波Ｗ３の問題に対しては、図１Ａ及び図２Ａに示すように、上部電極１と下部電極２が対向した共振部Ｒ１の形状を楕円形としたり、共振部Ｒ１の形状が不規則な多角形にすることで回避することができる。なぜなら、共振部Ｒ１の形状を楕円形や不規則な多角形で形成することによって、平行な２辺が存在しないために、横方向の共振条件が満足されず、共振部Ｒ１内には横方向の定在波が存在しにくいからである。
次に、上部電極１及び下部電極２の電極材料について説明する。共振部Ｒ１の膜厚方向に弾性波を閉じ込めるためには、音響インピーダンスは高い電極材料を用いることが必要となる。これは、圧電膜３で発生する厚み縦振動を音響インピーダンスが低い電極材料で挟むと、電極材料内に振動が漏れてしまう。したがって、本発明における横方向漏れを防止した圧電薄膜共振子の構造にしたとしても、その効果が薄れてしまう。したがって、電極材料としては、高音響インピーダンス膜である必要がある、上部電極１および下部電極２を形成する材料としては、例えばモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）のいずれかで構成することが好ましい。
〔２．圧電薄膜共振子の製造方法〕
本実施の形態の圧電薄膜共振子の製造方法について説明する。本製造方法では、Ｓｉの基板５、Ｒｕの上部電極１及び下部電極２、ＡｌＮの圧電膜３を用い、本発明の効果を検証した。図３Ａ〜図３Ｎは、本実施の形態の圧電薄膜共振子の製造工程を示す。
本実施の形態の圧電薄膜共振子の製造方法について説明する。本製造方法では、Ｓｉの基板５、Ｒｕの上部電極１及び下部電極２、ＡｌＮの圧電膜３を用い、本発明の効果を検証した。図３Ａ〜図３Ｎは、本実施の形態の圧電薄膜共振子の製造工程を示す。
まず、図３Ａに示すように、Ｓｉ基板１５上に下部電極２としてＲｕを成膜する。ここで、基板５は、Ｓｉ基板以外でも、ガラス基板、石英基板を用いてもよいし、他の半導体デバイスが形成された基板を用いてもよい。また、下部電極２は、Ｒｕ以外にも音響インピーダンスが大きいＭｏ，Ｗ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｐｔでもよい。
次に、図３Ｂに示すように、Ｒｕ膜の一部を除去して、傾斜部２ａを有する下部電極２を形成する。
次に、図３Ｃに示すように、下部電極２及び基板５上にＡｌＮからなる圧電膜３を成膜する。この際に、ＡｌＮの上にＡｌＮの表面を保護する目的で、上部電極１の一部１ａを成膜することができる（本実施の形態では上部電極１の一部１ａを成膜した）。
次に、図３Ｄに示すように、非共振部Ｒ２のＡｌＮを除去する目的で、上部電極１の一部１ａ上に所望のパターンのレジストパターン７を形成する。
次に、図３Ｅに示すように、ＡｌＮ表面保護膜として形成した上部電極１の一部１ａを、レジストパターンでエッチング除去する。
次に、図３Ｆに示すように、非共振部Ｒ２におけるＡｌＮ（圧電膜３）をエッチング除去する。これにより、図３Ｇに示すようにレジスト７も除去され、基板５上に下部電極２、圧電膜３，上部電極１の一部１ａが形成された状態になる。
次に、図３Ｈに示すように、ＡｌＮ（圧電膜３）の周囲に、絶縁膜４としてＳＯＧ（Spin-On Glass）を塗布する。ここで、絶縁膜４の形成方法としては、上記したＳＯＧによる塗布法が製造コストの上では望ましいが、上記以外にスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法（CVD：Chemical Vapor Deposition）など他の方法を用いてもよい。
次に、図３Ｉに示すように、共振部Ｒ１上に塗布されたＳＯＧ（絶縁膜４）を除去し、かつ、ＡｌＮ（圧電膜３）とその周囲の絶縁膜４との表面段差を低減する目的で、平坦化処理を行う。ここで、平坦化処理には、エッチバック法、グラインディング、ＣＭＰ法（CMP:Chemical Mechanical Polishing）などで行う。この際に、表面段差を上部電極１の膜厚以下にすれば、上部電極１の断線を防ぐことができる。また、ＡｌＮ表面保護膜（上部電極１の一部１ａ）は、この時に除去してもよい。
次に、図３Ｊに示すように、上部電極１ｂとしてＲｕを成膜する。ここで、上部電極１ｂは、Ｒｕ以外にも音響インピーダンスが大きいＭｏ，Ｗ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｐｔで形成してもよい。
次に、図３Ｋに示すように、上部電極１ｂ上にレジストパターン８を形成する。
次に、図３Ｌに示すように、レジストパターン８をエッチング処理し、非共振部Ｒ２における上部電極１ｂを除去する。
次に、図３Ｍに示すように、下部電極２との電気接続を得るために、下部電極２側のＳＯＧ（絶縁膜４）を除去する。なお、本工程において、下部電極２側のＳＯＧを全て除去してもよいが、図３Ｍに示すように圧電膜４の一部４ａを残留させてもよい。このように圧電膜４の一部４ａを残留させることで、下部電極２を補強することができ、空隙６を形成する際に下部電極２が損傷することを防止することができる。
最後に、図３Ｎに示すように、共振部Ｒ１（図２Ｂ参照）の直下に空隙６を形成する。空隙６は、ＤＲＩＥ法（DRIE:Deep Reactive Ion Etching）を用いて、基板５の裏面からエッチングすることで形成することができる。ここで、空隙６の作製方法は、上記以外にも基板５に凹部を形成した後に、上記凹部に犠牲層を充填し、最後に犠牲層を除去する方法がある。また、基板５上に犠牲層パターンを形成し、最後に犠牲層を除去する方法がある。また、本実施の形態では、空隙６を形成する構成を示したが、音響ミラーを用いた構成であってもよく、その他、少なくとも弾性波共振子を実現することができる構成であれば他の構成であってもよい。
本実施の形態の製造方法で作製した圧電薄膜共振子の共振Ｑ，反共振Ｑ，電気機械結合定数ｋ２を前述の（表１）におけるＳｉＯ２の欄に示す。（表１）におけるＡｌＮと比較するとわかるように、非共振部Ｒ２にＡｌＮを形成した場合は反共振Ｑの値が４００であるのに対し、本実施の形態のように、非共振部Ｒ２のＡｌＮを除去して共振部Ｒ１のＡｌＮの周囲にＳｉＯ２の絶縁膜４を形成する構造にすることで、反共振Ｑの値が８６５に改善することを確認した。また、同様に電気機械結合定数ｋ２の値が６．１５％から６．３３％に改善することを確認した。
〔３．本実施の形態と従来技術との対比〕
図４Ａは、絶縁膜４を形成しない従来構成である。図４Ｂは、ＳｉＯ２で構成された絶縁膜４を形成し、かつ傾斜部２ａの下端部と絶縁膜４の端部との間に距離Ｄ１に相当する圧電膜３の領域を形成している構成である。図４Ｃは、傾斜部２ａの下端部と絶縁膜４の端部との位置が一致している構成である。図４Ｄは、傾斜部２ａの上端部と絶縁膜４の端部との位置が一致している構成である。図４Ｅは、絶縁膜４が傾斜部２ａ上に形成され、かつ傾斜部２ａの上端部と絶縁膜４の端部との間に距離Ｄ２を有する構成である。なお、図４Ａ〜図４Ｅに示す構成において、傾斜部２ａの下端部は、空隙６の縁部の位置と一致する。また、本実施の形態では、Ｄ１及びＤ２はいずれも２μｍとした。
図４Ａは、絶縁膜４を形成しない従来構成である。図４Ｂは、ＳｉＯ２で構成された絶縁膜４を形成し、かつ傾斜部２ａの下端部と絶縁膜４の端部との間に距離Ｄ１に相当する圧電膜３の領域を形成している構成である。図４Ｃは、傾斜部２ａの下端部と絶縁膜４の端部との位置が一致している構成である。図４Ｄは、傾斜部２ａの上端部と絶縁膜４の端部との位置が一致している構成である。図４Ｅは、絶縁膜４が傾斜部２ａ上に形成され、かつ傾斜部２ａの上端部と絶縁膜４の端部との間に距離Ｄ２を有する構成である。なお、図４Ａ〜図４Ｅに示す構成において、傾斜部２ａの下端部は、空隙６の縁部の位置と一致する。また、本実施の形態では、Ｄ１及びＤ２はいずれも２μｍとした。
（表２）は、第１の実施の形態に示す製造方法で作製した圧電薄膜共振子において、下部電極２の端部に傾斜部２ａを形成した場合の、絶縁膜４の形成領域と特性との関係を示す。表中の各値は、図４Ａ〜図４Ｅに示す構成に対応する。
下部電極２の端部に傾斜部２ａを形成する構成の場合、上部電極１と下部電極２とによって挟まれる位置以外の圧電膜３が除去され、圧電膜３が除去された非共振部Ｒ２に絶縁膜４が形成され、圧電膜３と絶縁膜４との境界の一部が下部電極２の傾斜部２ａの上端またはそれよりも内側（傾斜部２ａの上端から下部電極２の上面中央側）に配置することで（図４Ｄまたは図４Ｅに示す構成）、境界が下部電極２の傾斜部２ａより外側に配置された構造（図４Ａ、図４Ｂ、または図４Ｃに示す構成）と比較して、反共振Ｑおよび電気機械結合定数ｋ２が改善することを確認した。
〔４．フィルタ、デュープレクサの構成〕
図５は、本実施の形態の圧電薄膜共振子を用いたデュープレクサの回路図を示す。図５に示すように、デュープレクサは、アンテナに接続されている端子３１、ラダー型フィルタで構成されている受信フィルタ３２、受信回路に接続されている出力端子３３、受信側と送信側とのインピーダンス整合を行う位相整合回路３４、ラダー型フィルタで構成されている送信フィルタ３５、および送信回路に接続されている入力端子３６を備えている。また、受信フィルタ３２および送信フィルタ３５は、本実施の形態に示す圧電薄膜共振子でラダー型フィルタを形成している。
図５は、本実施の形態の圧電薄膜共振子を用いたデュープレクサの回路図を示す。図５に示すように、デュープレクサは、アンテナに接続されている端子３１、ラダー型フィルタで構成されている受信フィルタ３２、受信回路に接続されている出力端子３３、受信側と送信側とのインピーダンス整合を行う位相整合回路３４、ラダー型フィルタで構成されている送信フィルタ３５、および送信回路に接続されている入力端子３６を備えている。また、受信フィルタ３２および送信フィルタ３５は、本実施の形態に示す圧電薄膜共振子でラダー型フィルタを形成している。
図６は、デュープレクサの実装形態を示す。図６において、デュープレクサは、実装基板４３上に送信フィルタ素子４２と受信フィルタ素子４５とがフェースダウン実装されている構造である。また、実装基板４３には、配線、移相器、および外部端子（それぞれ図示せず）が内蔵されている。実装基板４３と、送信フィルタ素子４２および受信フィルタ素子４５とは、バンプ４６を介して電気的に接続される。また、受信フィルタ素子４５および送信フィルタ素子４２は、それぞれ個別のチップとなっている。
本実施の形態の圧電薄膜共振子はＱ値が高いため、本実施の形態の圧電薄膜共振子を用いてデュープレクサを構成した場合、小型で高性能なデュープレクサを実現することが可能になる。
なお、本実施の形態では、受信フィルタ３２、送信フィルタ３５をともに圧電薄膜共振子で構成したが、圧電薄膜共振子フィルタを送信側、表面弾性波フィルタを受信側に接続した構成でもよい。また、図６において、送信フィルタ素子４２および受信フィルタ素子４５は、フェースダウン実装されて、樹脂材料で封止された構成になっているが、これらは、ワイヤ実装されて、気密封止されている構成としてもよい。さらに、本実施形態では、１つの送信フィルタ素子４２と１つの受信フィルタ素子４５とが実装基板４３上に実装されたデュープレクサを説明したが、複数の送信フィルタと複数の受信フィルタとが同一基板上に実装されて、複数のデュープレクサが形成された構成としてもよい。この場合、半導体スイッチを用いることによって、マルチモードまたはマルチバンドの携帯電話に対応したデュープレクサを実現することができる。
〔５．通信モジュールの構成〕
図７は、本実施の形態における圧電薄膜共振子で通信モジュールを構成した場合の実装形態を示す。本実施の形態の通信モジュールは、本実施の形態の圧電薄膜共振子を用いてラダー型フィルタを形成し、それを受信フィルタ素子４５および送信フィルタ素子４２として、個別チップで実装基板４３上にフェースダウン実装している。また、半導体デバイス４８は、ワイヤ４７で実装された構成である。また、実装基板４３には、配線、移相器、および外部端子（それぞれ図示せず）が含まれる。また、実装基板４３と、送信フィルタ素子４２および受信フィルタ素子４５とは、バンプ４６を介して電気的に接続される。また、半導体デバイス４８と、送信フィルタ素子４２および受信フィルタ素子４５とは、実装基板４３に内蔵される配線を介して電気的に接続される。また、実装基板４３は、送信フィルタ素子４２、受信フィルタ素子４５、および半導体デバイス４８を覆うように樹脂材料４１などによりモールドされている。
図７は、本実施の形態における圧電薄膜共振子で通信モジュールを構成した場合の実装形態を示す。本実施の形態の通信モジュールは、本実施の形態の圧電薄膜共振子を用いてラダー型フィルタを形成し、それを受信フィルタ素子４５および送信フィルタ素子４２として、個別チップで実装基板４３上にフェースダウン実装している。また、半導体デバイス４８は、ワイヤ４７で実装された構成である。また、実装基板４３には、配線、移相器、および外部端子（それぞれ図示せず）が含まれる。また、実装基板４３と、送信フィルタ素子４２および受信フィルタ素子４５とは、バンプ４６を介して電気的に接続される。また、半導体デバイス４８と、送信フィルタ素子４２および受信フィルタ素子４５とは、実装基板４３に内蔵される配線を介して電気的に接続される。また、実装基板４３は、送信フィルタ素子４２、受信フィルタ素子４５、および半導体デバイス４８を覆うように樹脂材料４１などによりモールドされている。
以上のような構成にすることによって、図５に示すデュープレクサと半導体デバイス４８とを同一基板上に実装した通信モジュールを実現することができる。
なお、半導体デバイス４８は、低雑音増幅器で構成されることが一例として考えられる。その他、半導体デバイス４８は、スイッチで構成することができる。例えば、複数の送信フィルタと複数の受信フィルタと半導体スイッチとを同一基板上に実装して、マルチモードに対応した通信モジュールを構成することができる。
図８は、本実施の形態の圧電薄膜共振子を備えた通信モジュールの一例を示す。図８に示すように、デュープレクサ６２は、受信フィルタ６２ａと送信フィルタ６２ｂとを備えている。また、受信フィルタ６２ａには、例えばバランス出力に対応した受信端子６３ａ及び６３ｂが接続されている。また、送信フィルタ６２ｂは、パワーアンプ６４を介して送信端子６５に接続している。ここで、受信フィルタ６２ａ及び送信フィルタ６２ｂには、本実施の形態における圧電薄膜共振子、または圧電薄膜共振子を備えたバンドパスフィルタが含まれている。
受信動作を行う際、受信フィルタ６２ａは、アンテナ端子６１を介して入力される受信信号のうち、所定の周波数帯域の信号のみを通過させ、受信端子６３ａ及び６３ｂから外部へ出力する。また、送信動作を行う際、送信フィルタ６２ｂは、送信端子６５から入力されてパワーアンプ６４で増幅された送信信号のうち、所定の周波数帯域の信号のみを通過させ、アンテナ端子６１から外部へ出力する。
以上のように本実施の形態の圧電薄膜共振子を少なくとも１つ含むフィルタで通信モジュールを形成することで、受信特性および送信特性に優れ、かつ小型化された通信モジュールを実現することができる。
なお、図８に示す通信モジュールの構成は一例であり、他の形態の通信モジュールに本発明の圧電薄膜共振子あるいはバンドパスフィルタを搭載しても、同様の効果が得られる。
〔５．通信装置の構成〕
図９は、本実施の形態の圧電薄膜共振子を備えた通信装置の一例として、携帯電話端末のＲＦブロックを示す。また、図９に示す構成は、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）通信方式及びＷ−ＣＤＭＡ（Wideband Code Divition Multiple Access）通信方式に対応した携帯電話端末の構成を示す。また、本実施の形態におけるＧＳＭ通信方式は、８５０ＭＨｚ帯、９５０ＭＨｚ帯、１．８ＧＨｚ帯、１．９ＧＨｚ帯に対応している。また、携帯電話端末は、図９に示す構成以外にマイクロホン、スピーカー、液晶ディスプレイなどを備えているが、本実施の形態における説明では不要であるため図示を省略した。ここで、受信フィルタ７３ａ，７７，７８，７９，８０、および送信フィルタ７３ｂには、本実施の形態における圧電薄膜共振子が含まれている。
図９は、本実施の形態の圧電薄膜共振子を備えた通信装置の一例として、携帯電話端末のＲＦブロックを示す。また、図９に示す構成は、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）通信方式及びＷ−ＣＤＭＡ（Wideband Code Divition Multiple Access）通信方式に対応した携帯電話端末の構成を示す。また、本実施の形態におけるＧＳＭ通信方式は、８５０ＭＨｚ帯、９５０ＭＨｚ帯、１．８ＧＨｚ帯、１．９ＧＨｚ帯に対応している。また、携帯電話端末は、図９に示す構成以外にマイクロホン、スピーカー、液晶ディスプレイなどを備えているが、本実施の形態における説明では不要であるため図示を省略した。ここで、受信フィルタ７３ａ，７７，７８，７９，８０、および送信フィルタ７３ｂには、本実施の形態における圧電薄膜共振子が含まれている。
まず、アンテナ７１を介して入力される受信信号は、その通信方式がＷ−ＣＤＭＡかＧＳＭかによってアンテナスイッチ回路７２で、動作の対象とするＬＳＩを選択する。入力される受信信号がＷ−ＣＤＭＡ通信方式に対応している場合は、受信信号をデュープレクサ７３に出力するように切り換える。デュープレクサ７３に入力される受信信号は、受信フィルタ７３ａで所定の周波数帯域に制限されて、バランス型の受信信号がＬＮＡ７４に出力される。ＬＮＡ７４は、入力される受信信号を増幅し、ＬＳＩ７６に出力する。ＬＳＩ７６では、入力される受信信号に基づいて音声信号への復調処理を行ったり、携帯電話端末内の各部を動作制御する。
一方、信号を送信する場合は、ＬＳＩ７６は送信信号を生成する。生成された送信信号は、パワーアンプ７５で増幅されて送信フィルタ７３ｂに入力される。送信フィルタ７３ｂは、入力される送信信号のうち所定の周波数帯域の信号のみを通過させる。送信フィルタ７３ｂから出力される送信信号は、アンテナスイッチ回路７２を介してアンテナ７１から外部に出力される。
また、入力される受信信号がＧＳＭ通信方式に対応した信号である場合は、アンテナスイッチ回路７２は、周波数帯域に応じて受信フィルタ７７〜８０のうちいずれか一つを選択し、受信信号を出力する。受信フィルタ７７〜８０のうちいずれか一つで帯域制限された受信信号は、ＬＳＩ８３に入力される。ＬＳＩ８３は、入力される受信信号に基づいて音声信号への復調処理を行ったり、携帯電話端末内の各部を動作制御する。一方、信号を送信する場合は、ＬＳＩ８３は送信信号を生成する。生成された送信信号は、パワーアンプ８１または８２で増幅されて、アンテナスイッチ回路７２を介してアンテナ７１から外部に出力される。
以上のように、本実施の形態の圧電薄膜共振子を通信装置に備えることで、受信特性および送信特性に優れ、かつ小型化された通信装置を実現することができる。
〔６．実施の形態の効果、他〕
本実施の形態の圧電薄膜共振子によれば、非共振部Ｒ２における上部電極１と基板５との間に絶縁膜４を形成したことにより、圧電膜３から水平方向に漏れる弾性波を抑制し、低損失化を図ることができる。また、このような圧電薄膜共振子をバンドパスフィルタなどの各種フィルタに採用することで、通過帯域の特性が優れたフィルタを実現することができる。また、このような圧電薄膜共振子をデュープレクサ、通信モジュール、通信装置に採用することで、受信特性及び送信特性が優れ、かつ小型化することができる。
本実施の形態の圧電薄膜共振子によれば、非共振部Ｒ２における上部電極１と基板５との間に絶縁膜４を形成したことにより、圧電膜３から水平方向に漏れる弾性波を抑制し、低損失化を図ることができる。また、このような圧電薄膜共振子をバンドパスフィルタなどの各種フィルタに採用することで、通過帯域の特性が優れたフィルタを実現することができる。また、このような圧電薄膜共振子をデュープレクサ、通信モジュール、通信装置に採用することで、受信特性及び送信特性が優れ、かつ小型化することができる。
（付記１）
基板と、前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振子であって、前記圧電膜は、前記上部電極と前記下部電極とが対向する部位に配され、前記上部電極と前記基板とが対向する領域の一部に絶縁膜が形成されている、圧電薄膜共振子（図１Ａ〜図２Ｂ）。
基板と、前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振子であって、前記圧電膜は、前記上部電極と前記下部電極とが対向する部位に配され、前記上部電極と前記基板とが対向する領域の一部に絶縁膜が形成されている、圧電薄膜共振子（図１Ａ〜図２Ｂ）。
（付記２）
前記上部電極、前記圧電膜、および前記下部電極が積層された位置における、前記下部電極の下方に空隙が形成されている、付記１記載の圧電薄膜共振子（図１Ａ〜図２Ｂ）。
前記上部電極、前記圧電膜、および前記下部電極が積層された位置における、前記下部電極の下方に空隙が形成されている、付記１記載の圧電薄膜共振子（図１Ａ〜図２Ｂ）。
（付記３）
前記下部電極の端部に傾斜部を備え、前記圧電膜と前記絶縁膜との境界の一部が、前記傾斜部の上端よりも前記下部電極の中央側に配置されている、付記１または２記載の圧電薄膜共振子（図２Ａ、図２Ｂ、図４Ｄ、図４Ｅ）。
前記下部電極の端部に傾斜部を備え、前記圧電膜と前記絶縁膜との境界の一部が、前記傾斜部の上端よりも前記下部電極の中央側に配置されている、付記１または２記載の圧電薄膜共振子（図２Ａ、図２Ｂ、図４Ｄ、図４Ｅ）。
（付記４）
前記圧電膜と前記絶縁膜との表面段差は、前記上部電極の膜厚よりも小さい、付記１〜３のいずれかに記載の圧電薄膜共振子（図１Ｂ）。
前記圧電膜と前記絶縁膜との表面段差は、前記上部電極の膜厚よりも小さい、付記１〜３のいずれかに記載の圧電薄膜共振子（図１Ｂ）。
（付記５）
前記絶縁膜は、酸化シリコン（ＳｉＯ２），窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４），シリコンカーバイト（ＳｉＣ），酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のいずれかで形成されている、付記１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜共振子（表１）。
前記絶縁膜は、酸化シリコン（ＳｉＯ２），窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４），シリコンカーバイト（ＳｉＣ），酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のいずれかで形成されている、付記１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜共振子（表１）。
（付記６）
前記絶縁膜は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成され、Spin on Glass（ＳＯＧ）を用いた塗布法によって形成された、付記１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
前記絶縁膜は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成され、Spin on Glass（ＳＯＧ）を用いた塗布法によって形成された、付記１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
（付記７）
前記圧電膜は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする材料で形成されている、付記１〜６のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
前記圧電膜は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする材料で形成されている、付記１〜６のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
（付記８）
前記圧電膜は、前記上部電極または前記下部電極との接触面積が、前記上部電極と前記下部電極とが対向する部分の投影面積よりも小さい、付記１〜７のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
前記圧電膜は、前記上部電極または前記下部電極との接触面積が、前記上部電極と前記下部電極とが対向する部分の投影面積よりも小さい、付記１〜７のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
（付記９）
前記圧電膜は、前記上部電極または前記下部電極との接触面積が、前記下部電極における前記空隙に接している面の面積よりも小さい、付記１〜８のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
前記圧電膜は、前記上部電極または前記下部電極との接触面積が、前記下部電極における前記空隙に接している面の面積よりも小さい、付記１〜８のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
（付記１０）
前記圧電膜は、前記上部電極または前記下部電極と接している面の形状が楕円形である、付記１〜９のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
前記圧電膜は、前記上部電極または前記下部電極と接している面の形状が楕円形である、付記１〜９のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
（付記１１）
前記圧電膜は、前記上部電極または前記下部電極と接している面の形状が、少なくとも２辺が互いに平行ではない多角形で形成されている、付記１〜１０のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
前記圧電膜は、前記上部電極または前記下部電極と接している面の形状が、少なくとも２辺が互いに平行ではない多角形で形成されている、付記１〜１０のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
（付記１２）
前記上部電極および前記下部電極の一部は、モリブデン、タングステン、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金のいずれかを主成分とする材料で形成されている、付記１〜１１のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
前記上部電極および前記下部電極の一部は、モリブデン、タングステン、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金のいずれかを主成分とする材料で形成されている、付記１〜１１のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
（付記１３）
付記１〜１２に記載された圧電薄膜共振子を含む、フィルタ（図５）。
付記１〜１２に記載された圧電薄膜共振子を含む、フィルタ（図５）。
（付記１４）
付記１３に記載されたフィルタを含む、デュープレクサ（図８）。
付記１３に記載されたフィルタを含む、デュープレクサ（図８）。
（付記１５）
付記１３に記載されたフィルタ、または付記１４に記載されたデュープレクサを含む、通信モジュール（図８）。
付記１３に記載されたフィルタ、または付記１４に記載されたデュープレクサを含む、通信モジュール（図８）。
（付記１６）
付記１３に記載されたフィルタまたは付記１４に記載されたデュープレクサと、半導体デバイスとが、同一の実装基板上に実装されている、付記１５に記載の通信モジュール（図７）。
付記１３に記載されたフィルタまたは付記１４に記載されたデュープレクサと、半導体デバイスとが、同一の実装基板上に実装されている、付記１５に記載の通信モジュール（図７）。
（付記１７）
付記１６に記載された通信モジュールを備えた、通信装置（図９）。
付記１６に記載された通信モジュールを備えた、通信装置（図９）。
本発明の弾性波素子は、所定周波数の信号を受信または送信することができる機器に有用である。
１ 上部電極
２ 下部電極
３ 圧電膜
４ 絶縁膜
５ 基板
６ 空隙
２ 下部電極
３ 圧電膜
４ 絶縁膜
５ 基板
６ 空隙
Claims (8)
- 基板と、
前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、
前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振子であって、
前記圧電膜は、前記上部電極と前記下部電極とが対向する部位に配され、
前記上部電極と前記基板とが対向する領域の一部に絶縁膜が形成されている、圧電薄膜共振子。 - 前記上部電極、前記圧電膜、および前記下部電極が積層された位置における、前記下部電極の下方に空隙が形成されている、請求項１記載の圧電薄膜共振子。
- 前記下部電極の端部に傾斜部を備え、
前記圧電膜と前記絶縁膜との境界の一部が、前記傾斜部の上端よりも前記下部電極の中央側に配置されている、請求項１または２記載の圧電薄膜共振子。 - 前記圧電膜と前記絶縁膜との表面段差は、前記上部電極の膜厚よりも小さい、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
- 前記絶縁膜は、
酸化シリコン（ＳｉＯ２），窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４），シリコンカーバイト（ＳｉＣ），酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のいずれかで形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 - 請求項１〜５に記載された圧電薄膜共振子を含む、フィルタ。
- 請求項６に記載されたフィルタを含む、通信モジュール。
- 請求項７に記載された通信モジュールを備えた、通信装置。
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