JP2010068132A - フィルタ、デュープレクサ、および通信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電薄膜共振子を用いたフィルタにおいて、圧電薄膜共振子の横モードの不要波による影響を抑制しつつ、中空構造をなす電極の機械強度を損なうことなく小型化を実現することができるフィルタを提供する。
【解決手段】基板上に形成された下部電極２と上部電極４とで圧電膜３を挟持した圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４を複数備えたフィルタであって、圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４は、上部電極４と下部電極２とが重なっている電極領域４ａ〜４ｄの外郭形状が曲線を含み、複数の圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４のうち互いに隣接する圧電薄膜共振子は、隣接対向する電極領域の外郭形状が相補形状となっている。
【選択図】図４Ａ
【解決手段】基板上に形成された下部電極２と上部電極４とで圧電膜３を挟持した圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４を複数備えたフィルタであって、圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４は、上部電極４と下部電極２とが重なっている電極領域４ａ〜４ｄの外郭形状が曲線を含み、複数の圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４のうち互いに隣接する圧電薄膜共振子は、隣接対向する電極領域の外郭形状が相補形状となっている。
【選択図】図４Ａ
Description
本発明は、圧電薄膜による電気信号とバルク弾性波の変換作用を利用した圧電薄膜共振子を複数個用いて構成したフィルタに関する。また、そのようなフィルタを備えたデュープレクサ、通信装置に関する。
携帯電話に代表される無線機器の急速な普及により、小型で軽量な共振子を複数組み合わせて構成したフィルタの需要が増大している。これまでは主として誘電体フィルタと表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタが使用されてきたが、最近では、特に高周波領域で低損失、高耐電力性、ＥＳＤ特性が良好で、かつ小型化とモノリシック化が可能な素子である圧電薄膜共振子を用いて構成されたフィルタが注目されつつある。
このような圧電薄膜共振子として、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプの共振子とＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）タイプの共振子がある。ＦＢＡＲは図１５〜図１７に示すように、基板上に、主構成要素として、上部電極、圧電膜、および下部電極を主要構成要素とする積層膜を有し、上部電極と下部電極が対向する領域の下部電極の下方に空隙が形成されている。図１５〜図１７は空隙の構造がそれぞれ異なっている。図１５に示す空洞は、基板２の表面から裏面まで貫通孔２６が設けられている。図１６に示す空隙は、基板表面に窪みが設けられている。図１７に示す空隙は、基板３１の表面上に設けられている。また、ＳＭＲは図１８に示すように、上記の空隙の代わりに、下部電極５２の下方に音響インピーダンスが低い膜と高い膜を交互にλ／４（λ：弾性波の波長）の膜厚で積層した音響反射膜５６を形成している。
上部電極と下部電極の間に高周波の電気信号を印加すると、上部電極と下部電極に挟まれた圧電膜内部に逆圧電効果によって弾性波が励振される。逆に、圧電効果によって弾性波による歪が電気信号に変換される。ＦＢＡＲでは、この弾性波は上部電極が空気に接している面と下部電極が空気に接している面で反射され、ＳＭＲでは、この弾性波は上部電極が空気に接している面と下部電極が音響反射膜に接している面で反射される。そのため、何れのタイプの共振子でも厚み方向の主変位を持つ厚み縦振動波が発生する。これらの構造では上部電極、圧電膜、および下部電極を主要構成要素とする積層膜部分の合計膜厚Ｈが、弾性波の１／２波長の整数倍（ｎ倍）になる周波数において共振が起こる。材料によって決まる弾性波の伝搬速度をＶとすると、共振周波数Ｆは、
Ｆ＝ｎＶ／２Ｈ
となる。この共振現象を利用して、膜厚によって共振周波数を制御することにより、所望の周波数特性を有する圧電薄膜共振子が作製される。更に、共振周波数が異なる複数の圧電薄膜共振子を接続することによりフィルタが作製される。
Ｆ＝ｎＶ／２Ｈ
となる。この共振現象を利用して、膜厚によって共振周波数を制御することにより、所望の周波数特性を有する圧電薄膜共振子が作製される。更に、共振周波数が異なる複数の圧電薄膜共振子を接続することによりフィルタが作製される。
ところで、圧電薄膜共振子を用いたフィルタにおいても、フィルタ素子の低コスト化が課題とされている。また、フィルタを搭載する機器の小型化に伴い、フィルタのさらなる小型化が要求されている。これらの要求を満たすために、フィルタ特性を損なうことなくチップ面積を縮小することが重要となる。フィルタ素子が形成されたチップの更なる小型化（小面積化）を鑑みると、フィルタを構成する圧電薄膜共振子の配置にも改善が必要となる。
フィルタを構成する圧電薄膜共振子の配置に関しては、従来例として、例えば非特許文献１が挙げられる。非特許文献１では、フィルタを構成する各々の圧電薄膜共振子において、圧電膜を挟む上部電極と下部電極の重なり形状（以下、電極形状と略記）が如何なる二辺も互いに平行でない非方形の不規則な多角形を有している。これは、圧電薄膜共振子では、上述した主に利用する厚み縦振動波の他に、電極面に平行に伝播し、電極または空隙の端部で反射する横モードの不要波が励起される結果、圧電薄膜共振子のインピーダンス特性に不要スプリアスが生じ、圧電薄膜共振子を複数用いたフィルタの通過帯域にリップルが発生する実用上の問題を回避するためである。
上述した横モードの不要波による悪影響を抑制するための非方形の不規則な多角形の電極形状は特許文献１に開示されている。
Proc. IEEE Ultrasonics Symposium、2005年、101-104頁 特開２０００−３３２５６８号公報
Proc. IEEE Ultrasonics Symposium、2005年、101-104頁
従来の技術に見られる圧電薄膜共振子を用いたフィルタおよびこれを用いた通信装置では、フィルタ構成要素である圧電薄膜共振子の横モードによる不要波の影響を低減すること、および、中空構造をなす電極の機械強度を向上させることに主眼が置かれていることにより、次の課題を有している。
非特許文献１、特許文献１に開示されている圧電薄膜共振子の電極形状は、如何なる二辺も互いに平行でない非方形の不規則な多角形であることから、隣り合う共振子の間隔を一定にできる配置と一定にできない配置が混在しており、小型化に対して課題が残る。
本発明の目的は、圧電薄膜共振子を用いたフィルタにおいて、圧電薄膜共振子の横モードの不要波による影響を抑制しつつ、小型化を実現することができるフィルタを提供することである。また、このようなフィルタを用いた通信装置の小型化を提案することを目的とする。
本発明のフィルタは、基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記基板上および前記下部電極上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に前記下部電極と対向する部分を有するように形成された上部電極とを積層して備えた圧電薄膜共振子を複数備えたフィルタであって、前記上部電極と前記下部電極とが重なっている電極領域の形状は、少なくとも一組の対向する非平行な外辺を有する形状であり、前記一組の外辺のうちいずれか一方の外辺が、隣接する他の圧電薄膜共振子の電極領域と対向し、前記一方の外辺に対向する前記他の圧電薄膜共振子の電極領域の外辺と、前記一方の外辺との間隔が一定であることが好ましい。
本発明によれば、圧電薄膜共振子の横モードの不要波による影響を抑制することができる。また、フィルタを小型化することができる。
本発明のフィルタにおいて、前記複数の圧電薄膜共振子のうち互いに隣接する圧電薄膜共振子は、隣接対向する電極領域の外郭形状が相補形状となっている構成とすることが好ましい。
本発明のフィルタにおいて、前記電極領域の外辺は、曲線を含む構成とすることが好ましい。このような構成とすることで、圧電薄膜共振子の機械的強度を向上させることができる。
本発明のフィルタにおいて、前記電極領域の形状は、略線対称である構成とすることが好ましい。このような構成とすることで、圧電薄膜共振子の機械的強度を向上させることができる。
（実施の形態）
〔１．圧電薄膜共振子の構成（第１の構成）〕
図１は、本実施の形態の圧電薄膜共振子を用いたフィルタを説明するための図である。図１に示すように、複数の圧電薄膜共振子（直列共振子Ｓ１〜Ｓ４、並列共振器Ｐ１〜Ｐ３）を直列腕と並列腕にラダー型に配置して相互に接続することによって、所定の通過帯域を有するバンドパスフィルタを構成することができる。このタイプのフィルタは、一般に「ラダー型フィルタ」と呼ばれている。図１に示すフィルタにおいて、様々な周波数成分からなるＲＦ信号を入力端子Ｉｎに入力すると、所望の周波数成分だけを出力端子Ｏｕｔから出力させることができる。図１に示す構成では、圧電薄膜共振子は直列腕に４個（Ｓ１〜Ｓ４）、並列腕に３個（Ｐ１〜Ｐ３）それぞれ配置されている。尚、要求仕様に従ったフィルタ設計に応じて、直列腕、並列腕の圧電薄膜共振子の数は適宜変更できる。並列腕の圧電薄膜共振子Ｐ１〜Ｐ３については、上部電極の膜上にチタン（Ｔｉ）等の周波数調整膜が形成されており、並列腕の圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４の共振周波数は直列腕の圧電薄膜共振子の共振周波数より低くなるように設定されている。
〔１．圧電薄膜共振子の構成（第１の構成）〕
図１は、本実施の形態の圧電薄膜共振子を用いたフィルタを説明するための図である。図１に示すように、複数の圧電薄膜共振子（直列共振子Ｓ１〜Ｓ４、並列共振器Ｐ１〜Ｐ３）を直列腕と並列腕にラダー型に配置して相互に接続することによって、所定の通過帯域を有するバンドパスフィルタを構成することができる。このタイプのフィルタは、一般に「ラダー型フィルタ」と呼ばれている。図１に示すフィルタにおいて、様々な周波数成分からなるＲＦ信号を入力端子Ｉｎに入力すると、所望の周波数成分だけを出力端子Ｏｕｔから出力させることができる。図１に示す構成では、圧電薄膜共振子は直列腕に４個（Ｓ１〜Ｓ４）、並列腕に３個（Ｐ１〜Ｐ３）それぞれ配置されている。尚、要求仕様に従ったフィルタ設計に応じて、直列腕、並列腕の圧電薄膜共振子の数は適宜変更できる。並列腕の圧電薄膜共振子Ｐ１〜Ｐ３については、上部電極の膜上にチタン（Ｔｉ）等の周波数調整膜が形成されており、並列腕の圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４の共振周波数は直列腕の圧電薄膜共振子の共振周波数より低くなるように設定されている。
図２は、図１に示すフィルタにおいて、直列腕の圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４の構成を説明するための断面図である。ここでは、基板１には平坦主面を持つＳｉ基板で形成されている。また、下部電極２は、Ｒｕ膜（膜厚２６０ｎｍ）で形成されている。また、圧電膜３は、ＡｌＮ膜（膜厚１２００ｎｍ）で形成されている。また、上部電極４は、Ｒｕ膜（膜厚２６０ｎｍ）で形成されている。なお、基板１は、Ｓｉ基板に替えて石英基板等を用いてもよく、貫通孔の形成が困難な基板も利用可能である。
なお、基板１としては、シリコン、ガラス、ＧａＡｓ等を用いることができる他、他素子が形成された基板も用いることができることで、圧電薄膜共振子およびこれを用いたフィルタは集積化にも好適なデバイスである。
下部電極２および上部電極４としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等、あるいはこれらを組み合わせた積層材料を用いることができる。
圧電膜３としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）等を用いることができるが、実用的には、音速、温度特性、Ｑ値および成膜技術の容易性の観点からＡｌＮが用いられていることが多い。特に、ｃ軸（下部電極表面に対して垂直方向）配向した結晶性の高いＡｌＮ膜の形成が共振特性を決める重要な要因の一つであり、結合係数やＱ値に直接影響を及ぼしている。一方で、ｃ軸配向した結晶性の高いＡｌＮ膜の形成には、その成膜時に高いエネルギーを印加する必要があり、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）では１０００℃以上、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）でもプラズマの電力に加えて４００℃以上の基板加熱を必要とし、また、スパッタ技術を用いても絶縁膜のスパッタによる基板温度上昇が知られている。このため、一般的にＡｌＮ膜は強い膜応力を有することとなる。
図２において、圧電膜３を挟み上部電極４と下部電極２とが重なり合う領域における、下部電極２の下側と基板１の表面との間には、ドーム形状の膨らみを有する空隙６が形成されている。この空隙６は、上部電極４と下部電極２とが重なりあった領域を包含し、周辺部は基板１に接している。この空隙６は、下部電極２の下に予めパターンニングされた犠牲層を除去することにより形成することができる。また、基板１または下部電極２には、犠牲層をエッチングして空隙６を形成するために用いる犠牲層エッチング用のエッチング液導入孔（不図示）が設けられる。
図３Ａ〜図３Ｃは、図２に示した圧電薄膜共振子の製造工程を説明するための図であり、これらの図は何れも断面図として図示してある。先ず、図３Ａに示すように、Ｓｉ基板１（あるいは石英基板）上に、犠牲層膜９となるＭｇＯ（膜厚２０〜１００ｎｍ程度）をスパッタリング法または真空蒸着法により成膜する。犠牲層９としては、ＭｇＯの他にも、ＺｎＯ、Ｇｅ、Ｔｉ、ＳｉＯ2など、エッチング液により容易に溶解できる材料であれば特に制限はない。次に、フォトリソグラフィー技術とエッチングにより、犠牲層９を所望の形状にパターニングする。ここでは、上部電極４と下部電極２とが重なりあう領域よりやや大きな形状にパターニングしている。
次に、図３Ｂに示すように、下部電極２、圧電膜３、および上部電極４を順次形成する。下部電極２は、０．６〜１．２Ｐａの圧力下のＡｒガス雰囲気中でスパッタリング成膜され、さらにフォトリソグラフィー技術とエッチングにより下部電極２を所望の形状にパターニングする。これに続いて、圧電膜３であるＡｌＮを、約０．３Ｐａの圧力のＡｒ／Ｎ２混合ガス雰囲気中でＡｌターゲットを用いてスパッタリング成膜する。そして、上部電極４のＲｕ膜を、０．６〜１．２Ｐａの圧力のＡｒガス雰囲気中でスパッタリング成膜する。ここで示したスパッタ条件は一例であり、下部電極２、圧電膜３、上部電極４からなる積層膜の応力が圧縮応力となるように設定されている。このようにして成膜された積層膜にフォトリソグラフィー技術とエッチング（ウェットエッチングまたはドライエッチング）を施し、上部電極４と圧電膜３とを所望の形状にパターニングする。ここで、図示のごとく、弾性波の横方向への漏洩を防ぎ共振特性を向上させるために、圧電膜の外周の少なくとも一部を、上部電極４と下部電極２とが対向する領域の外周より内側に設けている。
次に、図３Ｃに示すように、下部電極２に対して、レジストパターニングによるフォトリソグラフィー技術によりエッチング液導入孔（不図示）を形成し、このエッチング液導入孔からエッチング液を導入して犠牲層９をエッチング除去することで空隙６を形成する。エッチング液導入孔は、先に下部電極２をエッチングする際に同時に形成しておいてもよい。積層膜に付与した圧縮応力により犠牲層９のエッチング終了時点で、積層膜が膨れ上がり下部電極２と基板１との間にドーム形状の空隙６を形成することができ、積層膜は中空構造となる。なお、上述のスパッタ成膜条件では、積層膜の応力は概ね（マイナス）３００ＭＰａの圧縮応力であった。ここで示したスパッタリング条件は一例であり、積層膜の応力を圧縮応力とすることがドーム形状の空隙を形成する上で重要であり、スパッタリング条件は種々の組み合わせが可能である。その他の成膜方法を用いても、積層膜の応力を調整することでドーム形状の空隙を形成することが可能である。
図４Ａは、本実施の形態に係る圧電薄膜共振子を用いたフィルタの上面図である。図４Ｂは、図４ＡにおけるＺ−Ｚ部の断面図である。図４Ａ及び図４Ｂは、図１に示したラダー型フィルタの直列腕の圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４の構造を示している。各々の圧電薄膜共振子の断面図が図２に示す構成であり、図３Ａ〜図３Ｃで示した製造工程に従って作製することができる。また、図４Ａにおいて、上部電極４と下部電極２とが重なっている領域（以下「電極領域」と称し、電極領域の形状を「電極形状」と称する）４ａ〜４ｄにドットハッチングを付している。また、図４Ａに示すように、個々の電極領域４ａ〜４ｄはその外辺に曲線を含む形状となっている。
また、互いに隣接する圧電薄膜共振子の電極形状は、対向する部分の一部が相補形状となっている。例えば、電極領域４ａにおける電極領域４ｂに対向する外縁部４ｅは電極領域４ａの中心に向かって凹状に湾曲し、電極領域４ｂにおける電極領域４ａに対向する外縁部４ｆは電極領域４ｂの中心から離れる方向に湾曲し、外縁部４ｅと外縁部４ｆとは相補形状となっている。外縁部４ｅと外縁部４ｆとは略平行になっている。また、外縁部４ｅと外縁部４ｆとは、対向する領域において間隔が一定である。なお、符号の付与や詳しい説明は省略するが、電極領域４ｂと電極領域４ｃとの間、電極領域４ｃと電極領域４ｄとの間も同様に相補形状となっている。
また、図４Ａに示すように、各圧電薄膜共振子は、点線Ｌ１、実線Ｌ２、および一点鎖線Ｌ３に対して、略線対称の形状をなしている。例えば、圧電薄膜共振子Ｓ１は点線Ｌ１と実線Ｌ２とに対して略線対称の形状をなしており、圧電薄膜共振子Ｓ２は一点鎖線Ｌ３と実線Ｌ１とに対して略線対称の形状をなしている。また、点線Ｌ１と一点鎖線Ｌ３で示した対称軸は、矢印ＡまたはＢに示す方向に流れる電流の向きに対して略直交している。また、実線Ｌ２で示した対称軸は、矢印ＡまたはＢに示す方向に流れる電流の向きに対して略平行となっている。
図５Ａ〜図６Ｂは、本実施の形態の圧電薄膜共振子の共振特性を示す。図７Ａ及び図７Ｂは、本実施の形態に対する比較例である圧電薄膜共振子の共振特性を示す。図５Ａ、図６Ａ、および図７Ａは、共振特性をスミスチャートで示したものである。図５Ｂ、図６Ｂ、および図７Ｂは、共振特性を折れ線グラフで示したものである。図５Ａ及び図５Ｂは、図４及び図４Ｂの圧電薄膜共振子Ｓ１、Ｓ３の共振特性を示す。図６Ａ及び図６Ｂは、圧電薄膜共振子Ｓ２、Ｓ４の共振特性を示す。図７Ａ及び図７Ｂは、電極領域の形状が長方形の圧電薄膜共振子の共振特性を示す。なお、比較例の圧電薄膜共振子における長方形状の電極領域の面積は１６２μｍ×１３５μｍとし、本実施の形態の圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４における電極領域の面積も等しくしている。
図５Ｂ、図６Ｂ、および図７Ｂに示すグラフは、１ポート特性の周波数に対するリターンロスを表し、０ｄＢに近いほど損失が少なく共振子のクオリティファクタＱが高いことを意味する。図５Ａ、図６Ａ、および図７Ａに示すスミスチャートは、円の直径が大きくなるほど損失が少なく共振子のクオリティファクタＱが高いことを意味する。本実施の形態の圧電薄膜共振子における電極領域の形状と比較例の電極領域の形状（長方形）とで共振特性を比較すると、全周波数域および特に共振周波数以下においてスプリアスに顕著な差が見られる。このスプリアスは、圧電薄膜共振子の横モードによる不要波が原因となっており、図示の如く電極領域の形状に強く依存している。特に、共振周波数以下のスプリアスは、これらの圧電薄膜共振子を直列腕に用いたフィルタの場合、通過帯域にリップルとして表れ、実用上好ましくない。圧電薄膜共振子の細密配置あるいは高密度実装を考えた場合、電極領域の形状を長方形とすると配置スペース効率が高いが、上述のように特性上の課題が残る。これに対し、図４Ａ及び図４Ｂに示す圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４は、スプリアスを抑制し、かつ配置スペース効率が高い。
本実施の形態の圧電薄膜共振子は、上部電極４、圧電膜３、および下部電極２からなる積層膜が中空構造をなし、機械的強度に対する配慮が素子の信頼性を論ずる上で重要となる。
図８Ａ〜図８Ｄは、中空構造をなす圧電薄膜共振子の有限要素法による構造解析結果を示し、圧電膜を挟み上部電極と下部電極が対向している領域の残留応力分布を示したものである。図８Ａ〜図８Ｄに示す構造解析結果は、積層膜に与える応力条件は共通とし、電極領域の形状による残留応力の差を明らかにしている。図８Ａは、本実施の形態の圧電薄膜共振子Ｓ１、Ｓ３の残留応力の解析結果を示す。図８Ｂは、本実施の形態の圧電薄膜共振子Ｓ２、Ｓ４の残留応力の解析結果を示す。図８Ｃは、長方形の電極領域を持つ圧電薄膜共振子の残留応力の解析結果を示す。図８Ｄは、非特許文献１に開示された圧電薄膜共振子（如何なる二辺も互いに平行でない非方形の不規則な五角形の電極形状を持つ圧電薄膜共振子）の残留応力の解析結果を示す。
図８Ａ〜図８Ｄにおいて、圧電膜３を挟み上部電極４と下部電極２が重なり合っている領域の周辺に見られる残留応力に着目すると、この残留応力が強く残っている部位ほど、破壊に対する余裕度は小さくなると考えられる。まず、図８Ｃ、図８Ｄに示すように、外縁が直線で構成された電極領域を備えた圧電薄膜共振子では、何れも角部近傍の領域８１〜８５に強い残留応力が見られる。これに対して、図８Ａ、図８Ｂに示すように、外縁が曲線を含む形状で形成された電極領域を備えた本実施の形態の圧電薄膜共振子では、図８Ｃや図８Ｄに示すような応力集中も見られず、絶対値も低くなっている。このように、外縁が曲線を含む形状で形成された電極領域を備えた本実施の形態の圧電薄膜共振子では、応力集中が生じないので、従来例に対して本実施の形態の方が積層膜にかかる応力の許容範囲が広くとれ、製造性を向上することができる。
また、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、電流の流れる方向に対して略直交する対称軸を持つ圧電薄膜共振子に対して、図８Ｄに示すように対称軸を持たない圧電薄膜共振子では、残留応力に対称性が見られない。図８Ｄに示す圧電薄膜共振子のように残留応力に対称性がない場合、中空構造において不均一な強度分布を持つことになり、機械的強度の観点から望ましくない。さらに、電極形状に対称軸があったとしても、この対称軸が電流の向きに対して略直交あるいは略平行となっていない場合は、圧電膜３を挟み上部電極４と下部電極２が重なり合っている領域の周辺における残留応力は不均一な分布となり、機械的強度の観点から望ましくない。
図９Ａは、電極領域の対称軸が電流の流れる方向に対して略直交する場合の残留応力の解析結果を示す。図９Ｂは、電極領域の対称軸が電流の流れる方向に対して直交していない場合の残留応力の解析結果を示す。図９Ａは、本実施の形態の圧電薄膜共振子Ｓ２，Ｓ４の電極領域における残留応力の解析結果を示し、その対称軸Ｌ１１が電流の向きに対して略直角となり、対称軸Ｌ１２が略平行となっている。一方、図９Ｂは、圧電薄膜共振子Ｓ２，Ｓ４を電流の向き（矢印ＡまたはＢに示す方向）に対して傾けたものである。圧電薄膜共振子をその対称軸を電流の向きに対して傾けて配置した場合、図９Ｂに示すように、残留応力に偏りが生じる。また、圧電薄膜共振子をその対称軸を電流の向きに対して傾けて配置した場合、隣接する他の圧電薄膜共振子との間に無駄な空間が生じ、細密配置または高密度実装する観点からも望ましくない。
また、図３Ａ〜図３Ｂに示す製造工程は、基板１の表面に加工を施していない平坦基板を用いていることから、従来例の図１６に示す断面構造を持つ圧電薄膜共振子の製造工程と比較しても、製造工程を削減でき低コスト化に好適である。本実施の形態の製造余裕度向上に好適な圧電薄膜共振子の設計により、生産性の向上が図れる。
本実施の形態では、直列腕の圧電薄膜共振子に対して言及しているが、並列腕の圧電薄膜共振子に対しても、同様の実施形態が可能である。ラダー型フィルタの設計では、図１に示した様に、複数の圧電薄膜共振子を直列および並列に接続するが、フィルタサイズの小型化の観点からは、並列接続された方向の長さを短縮させることも重要であるが、複数の圧電薄膜共振子が直列接続された方向の長さを短縮させることがより効果的である。この方向の長さの短縮には、圧電薄膜共振子の細密配置と共振器形状の扁平化が有効である。「扁平化」とは、図４Ａ及び図４Ｂに示す圧電薄膜共振子を例にとると、圧電薄膜共振子を点線Ｌ１や一点鎖線Ｌ３で示す対称軸の軸方向（圧電薄膜共振子の電流の向きに略直交する方向）に伸張し、実線Ｌ２で示す対称軸の軸方向に縮めることを意味する。
また、本実施の形態のフィルタでは、圧電薄膜共振子間の間隔幅を短縮することにより、素子サイズの縮小が図れるだけでなく、圧電薄膜共振子間の配線抵抗を低減できることからフィルタの低損失化が可能となる。図１０は、直列腕の圧電薄膜共振子間隔を変化させた場合のフィルタ通過特性の最低損失の変化を示す。図１０に示すように、圧電薄膜共振子の間隔が減少するのに従い、最低損失が低減していることが分かる。圧電薄膜共振子の間隔を小さくする目的からも、実施の形態に示すように隣接する圧電薄膜共振子の電極形状を各々が対向する部分の一部が相補形状とすることで、各々の圧電薄膜共振子を細密に配置することが有効となる。
〔２．圧電薄膜共振子の構成（第２の構成）〕
図１１は、本実施の形態に係るフィルタを構成する圧電薄膜共振子の第２の構成を示す。図１１に示す圧電薄膜共振子は、図１に示したラダー型フィルタの直列腕の圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４を示している。また、Ｚ−Ｚ部における断面図は、前述した図４Ｂと同等である。また、本実施の形態の圧電薄膜共振子は、図３Ａ〜図３Ｃに示した製造工程に従って作製することができる。また、上部電極１４と下部電極の１２とが重なっている領域（電極領域）１４ａ〜１４ｄにドットハッチングを付与している。個々の電極領域の形状は、対向する二辺（電極領域１４ａの場合、外縁部１４ｅと外縁部１４ｆ）が非平行の形状をなし、隣接する圧電薄膜共振子の上部電極と下部電極の重なり領域の間隔（例えば、電極領域１４ａの外縁部１４ｆと電極領域１４ｂの外縁部１４ｇとの間隔）が略一定となっている。各々の圧電薄膜共振子は、図１１に示す点線Ｌ２１または一点鎖線Ｌ２２に対して略線対称の形状をなしている。また、点線Ｌ２１と一点鎖線Ｌ２２で示した対称軸は、矢印ＡまたはＢに示す方向に流れる電流の向きに対して略直交している。
図１１は、本実施の形態に係るフィルタを構成する圧電薄膜共振子の第２の構成を示す。図１１に示す圧電薄膜共振子は、図１に示したラダー型フィルタの直列腕の圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４を示している。また、Ｚ−Ｚ部における断面図は、前述した図４Ｂと同等である。また、本実施の形態の圧電薄膜共振子は、図３Ａ〜図３Ｃに示した製造工程に従って作製することができる。また、上部電極１４と下部電極の１２とが重なっている領域（電極領域）１４ａ〜１４ｄにドットハッチングを付与している。個々の電極領域の形状は、対向する二辺（電極領域１４ａの場合、外縁部１４ｅと外縁部１４ｆ）が非平行の形状をなし、隣接する圧電薄膜共振子の上部電極と下部電極の重なり領域の間隔（例えば、電極領域１４ａの外縁部１４ｆと電極領域１４ｂの外縁部１４ｇとの間隔）が略一定となっている。各々の圧電薄膜共振子は、図１１に示す点線Ｌ２１または一点鎖線Ｌ２２に対して略線対称の形状をなしている。また、点線Ｌ２１と一点鎖線Ｌ２２で示した対称軸は、矢印ＡまたはＢに示す方向に流れる電流の向きに対して略直交している。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本実施の形態の圧電薄膜共振子の共振特性を示す。図１２Ａ及び図１２Ｂに示す共振特性が得られた圧電薄膜共振器の電極領域の形状は、図１１に示す形状であり、面積は図７Ａ及び図７Ｂに示した電極形状が長方形の圧電薄膜共振子と同じ面積としている。図１２Ａ及び図１２Ｂは、１ポート特性の周波数に対するリターンロスを示す。本実施の形態の電極領域を有する圧電薄膜共振器の共振特性を図７Ａ及び図７Ｂと比較すると、全周波数域および特に共振周波数以下でスプリアスに顕著な差が見られる。
本実施の形態の圧電薄膜共振子をフィルタに用いることにより、圧電薄膜共振子間の間隔を短縮でき、各々の圧電薄膜共振子を細密に配置することが可能となる。よって、フィルタを小型化することができるとともに、圧電薄膜共振子間の配線抵抗を低減できることからフィルタの低損失化が可能となる。
〔３．デュープレクサの構成〕
図１３は、本実施の形態の圧電薄膜共振子または上記フィルタを備えたデュープレクサの一例を示す。図１３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。アンテナ端子と各フィルタ間には、インピーダンス調整のために、必要に応じ整合回路（例えば位相器）が付加された構成となる場合もある。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が含まれている。
図１３は、本実施の形態の圧電薄膜共振子または上記フィルタを備えたデュープレクサの一例を示す。図１３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。アンテナ端子と各フィルタ間には、インピーダンス調整のために、必要に応じ整合回路（例えば位相器）が付加された構成となる場合もある。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またはフィルタを、デュープレクサの受信フィルタ６２ａ及び送信フィルタ６２ｂに備えることで、圧電薄膜共振子の横モードの不要波による影響を抑制し、中空構造をなす電極の機械強度を損なうことなく、生産性に優れた小型のデュープレクサを実現することができる。
なお、図１３に示すデュープレクサの構成は一例であり、他の形態のデュープレクサを含む通信モジュールに本発明の圧電薄膜共振子を用いたフィルタを搭載しても、同様の効果が得られる。
〔４．通信装置の構成〕
図１４は、本実施の形態の通信モジュール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１４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１４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またはフィルタが含まれている。
図１４は、本実施の形態の通信モジュール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１４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１４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またはフィルタが含まれている。
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用いたフィルタ、または通信モジュールを通信装置に備えることで、圧電薄膜共振子の横モードの不要波による影響を抑制し、中空構造をなす電極の機械強度を損なうことなく、生産性に優れた小型のデュープレクサを実現することができる。
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、基板の材料としては、シリコン、ガラス、ＧａＡｓ等を用いることができる他、他素子が形成された基板も用いることができる。また、電極の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等、あるいはこれらを組み合わせた積層材料を用いることができる。また、圧電膜の材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）等を用いることができるが、実用的には、音速、温度特性、Ｑ値および成膜技術の容易性の観点からＡｌＮが用いられていることが多い。
また、上記実施の形態の膜構成は圧電薄膜共振子の主要構成要素のみを記しており、例えば、上部電極の上に誘電体膜が設けられていてもよい。上部電極の上の誘電体膜は、例えば、パシベーション膜あるいは周波数調整用としての役割を担う。また、フィルタの入出力端子や接地端子には、外部回路とワイヤ接続やバンプ接続を行う場合の下地層となるＡｕ等を主成分としたパッド部が設けられていてもよく、パット部を形成する時に同時に圧電薄膜共振子間にＡｕパターンを形成していてもよい。
〔５．実施の形態の効果、他〕
本実施の形態によれば、圧電薄膜共振子の横モードの不要波による影響を抑制しつつ、中空構造をなす電極の機械強度を損なうことなく、生産性に優れた圧電薄膜共振子を実現することができる。また、そのような圧電薄膜共振子を搭載することで、フィルタ、デュープレクサ、通信装置を小型化することができる。
本実施の形態によれば、圧電薄膜共振子の横モードの不要波による影響を抑制しつつ、中空構造をなす電極の機械強度を損なうことなく、生産性に優れた圧電薄膜共振子を実現することができる。また、そのような圧電薄膜共振子を搭載することで、フィルタ、デュープレクサ、通信装置を小型化することができる。
なお、本実施の形態では、互いに隣接する２つの圧電薄膜共振子の外辺の形状に特徴を有する構成について説明したが、隣接する３つの圧電薄膜共振子の外辺の形状を本実施の形態の構成と同様の形状とすることで、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
（付記１）
基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記基板上および前記下部電極上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に前記下部電極と対向する部分を有するように形成された上部電極とを積層して備えた圧電薄膜共振子を複数備えたフィルタであって、
前記上部電極と前記下部電極とが重なっている電極領域の形状は、少なくとも一組の対向する非平行な外辺を有する形状であり、
前記一組の外辺のうちいずれか一方の外辺が、隣接する他の圧電薄膜共振子の電極領域と対向し、
前記一方の外辺に対向する前記他の圧電薄膜共振子の電極領域の外辺と、前記一方の外辺との間隔が一定である、フィルタ。
基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記基板上および前記下部電極上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に前記下部電極と対向する部分を有するように形成された上部電極とを積層して備えた圧電薄膜共振子を複数備えたフィルタであって、
前記上部電極と前記下部電極とが重なっている電極領域の形状は、少なくとも一組の対向する非平行な外辺を有する形状であり、
前記一組の外辺のうちいずれか一方の外辺が、隣接する他の圧電薄膜共振子の電極領域と対向し、
前記一方の外辺に対向する前記他の圧電薄膜共振子の電極領域の外辺と、前記一方の外辺との間隔が一定である、フィルタ。
（付記２）
前記複数の圧電薄膜共振子のうち互いに隣接する圧電薄膜共振子は、隣接対向する電極領域の外郭形状が相補形状となっている、付記１記載のフィルタ。
前記複数の圧電薄膜共振子のうち互いに隣接する圧電薄膜共振子は、隣接対向する電極領域の外郭形状が相補形状となっている、付記１記載のフィルタ。
（付記３）
前記電極領域の外辺は、曲線を含む、付記１または２に記載のフィルタ。
前記電極領域の外辺は、曲線を含む、付記１または２に記載のフィルタ。
（付記４）
前記電極領域の形状は、略線対称である、付記１から３のいずれか一項に記載のフィルタ。
前記電極領域の形状は、略線対称である、付記１から３のいずれか一項に記載のフィルタ。
（付記５）
少なくとも隣り合う３つの圧電薄膜共振子の電極領域の間隔が略一定となって配置されている、付記１記載のフィルタ。
少なくとも隣り合う３つの圧電薄膜共振子の電極領域の間隔が略一定となって配置されている、付記１記載のフィルタ。
（付記６）
前記電極領域の略線対称軸が電流が流れる向きと略平行あるいは略直角になっている、付記１に記載のフィルタ。
前記電極領域の略線対称軸が電流が流れる向きと略平行あるいは略直角になっている、付記１に記載のフィルタ。
（付記７）
基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記基板上および前記下部電極上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に前記下部電極と対向する部分を有するように形成された上部電極とを積層して備えた圧電薄膜共振子を複数備えたフィルタであって、
前記圧電薄膜共振子は、前記上部電極と前記下部電極とが重なった電極領域において、電流が流れる向きに対して平行な方向の長さが電流が流れる向きに対して垂直な方向の長さより短く、
少なくとも２つの隣接する圧電薄膜共振子の電極領域の間隔が略一定となっている、フィルタ。
基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記基板上および前記下部電極上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に前記下部電極と対向する部分を有するように形成された上部電極とを積層して備えた圧電薄膜共振子を複数備えたフィルタであって、
前記圧電薄膜共振子は、前記上部電極と前記下部電極とが重なった電極領域において、電流が流れる向きに対して平行な方向の長さが電流が流れる向きに対して垂直な方向の長さより短く、
少なくとも２つの隣接する圧電薄膜共振子の電極領域の間隔が略一定となっている、フィルタ。
（付記８）
前記電極領域に対応する部位における前記下部電極の下方に、前記電極領域を包含する空隙を備えた、付記１〜７の何れか一項記載のフィルタ。
前記電極領域に対応する部位における前記下部電極の下方に、前記電極領域を包含する空隙を備えた、付記１〜７の何れか一項記載のフィルタ。
（付記９）
圧電膜と上部電極と下部電極とを備えた積層膜は、前記基板の平坦主面上に形成され、
前記電極領域に対応する部位における前記下部電極の下方に、前記電極領域を包含する略ドーム形状の空隙を備えた、付記１〜７の何れか一項記載のフィルタ。
圧電膜と上部電極と下部電極とを備えた積層膜は、前記基板の平坦主面上に形成され、
前記電極領域に対応する部位における前記下部電極の下方に、前記電極領域を包含する略ドーム形状の空隙を備えた、付記１〜７の何れか一項記載のフィルタ。
（付記１０）
圧電膜と上部電極と下部電極とを備えた積層膜の応力が圧縮応力である、付記１〜７の何れか一項記載のフィルタ。
圧電膜と上部電極と下部電極とを備えた積層膜の応力が圧縮応力である、付記１〜７の何れか一項記載のフィルタ。
（付記１１）
前記圧電膜は、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛を主成分とする材料で形成されている、付記１〜１０の何れか一項記載のフィルタ。
前記圧電膜は、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛を主成分とする材料で形成されている、付記１〜１０の何れか一項記載のフィルタ。
（付記１２）
前記下部電極および上部電極の少なくとも一方は、ルテニウム膜を含む、付記１〜１１の何れか一項記載のフィルタ。
前記下部電極および上部電極の少なくとも一方は、ルテニウム膜を含む、付記１〜１１の何れか一項記載のフィルタ。
（付記１３）
前記圧電膜の外周の少なくとも一部は、前記電極領域の外周より内側に設けられている、付記１〜１２の何れか一項記載のフィルタ。
前記圧電膜の外周の少なくとも一部は、前記電極領域の外周より内側に設けられている、付記１〜１２の何れか一項記載のフィルタ。
（付記１４）
前記圧電薄膜共振子がラダー型に接続されている、付記１〜１３の何れか一項記載のフィルタ。
前記圧電薄膜共振子がラダー型に接続されている、付記１〜１３の何れか一項記載のフィルタ。
（付記１５）
付記１〜１４の何れか一項記載のフィルタを備えた、デュープレクサ。
付記１〜１４の何れか一項記載のフィルタを備えた、デュープレクサ。
（付記１６）
付記１〜１４の何れか一項記載のフィルタを備えた、通信装置。
付記１〜１４の何れか一項記載のフィルタを備えた、通信装置。
本発明の圧電薄膜共振子は、携帯電話端末などのように各種通信装置に搭載されているフィルタやデュープレクサに有用である。
１ 基板
２ 下部電極
３ 圧電膜
４ 上部電極
６ 空隙
２ 下部電極
３ 圧電膜
４ 上部電極
６ 空隙
Claims (6)
- 基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記基板上および前記下部電極上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に前記下部電極と対向する部分を有するように形成された上部電極とを積層して備えた圧電薄膜共振子を複数備えたフィルタであって、
前記上部電極と前記下部電極とが重なっている電極領域の形状は、少なくとも一組の対向する非平行な外辺を有する形状であり、
前記一組の外辺のうちいずれか一方の外辺が、隣接する他の圧電薄膜共振子の電極領域と対向し、
前記一方の外辺に対向する前記他の圧電薄膜共振子の電極領域の外辺と、前記一方の外辺との間隔が一定である、フィルタ。 - 前記複数の圧電薄膜共振子のうち互いに隣接する圧電薄膜共振子は、対向する電極領域の形状が相補形状となっている、請求項１記載のフィルタ。
- 前記電極領域の外辺は、曲線を含む、請求項１または２に記載のフィルタ。
- 前記電極領域の形状は、略線対称である、請求項１から３のいずれか一項に記載のフィルタ。
- 請求項１から４のいずれか一項に記載のフィルタを備えた、デュープレクサ。
- 請求項１から４のいずれか一項に記載のフィルタを備えた、通信装置。
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