JP2014135568A - 圧電薄膜共振器およびフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】スプリアスを抑制すること。
【解決手段】基板と、前記基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜を挟んで設けられた下部電極および上部電極と、前記圧電膜を挟み前記下部電極および上部電極が対向する共振領域５０内に、複数のパターン５２から形成された負荷膜２８と、を具備し、前記複数のパターン５２は、前記共振領域５０の中央６０から外周６２に至る経路６４において前記複数のパターンを横切りかつ前記中央を囲むように形成されている圧電薄膜共振器。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電薄膜共振器およびフィルタに関し、例えば負荷膜を含む圧電薄膜共振器およびフィルタに関する。

圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば無線機器等のフィルタとして用いられている。圧電薄膜共振器は、圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する構造を有している。圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する領域が共振領域である。特許文献１および２には、共振領域内の一部に負荷膜を形成することが記載されている。

特開２０１２−１６５２８８号公報 特開２０１１−７１９１３号公報

圧電薄膜共振器において、共振周波数の低周波数側または高周波数側にスプリアスが発生することがある。例えば、スプリアスが生じる圧電薄膜共振器を用いてフィルタを形成すると、通過帯域内にリップルが形成される。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、スプリアスを抑制することを目的とする。

本発明は、基板と、前記基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜を挟んで設けられた下部電極および上部電極と、前記圧電膜を挟み前記下部電極および上部電極が対向する共振領域内に、複数のパターンから形成された負荷膜と、を具備し、前記複数のパターンは、前記共振領域の中央から外周に至る経路において前記複数のパターンを横切りかつ前記中央を囲むように形成されていることを特徴とする圧電薄膜共振器である。本発明によれば、スプリアスを抑制することができる。

上記構成において、前記複数のパターンは、前記中央を囲む閉線である構成とすることができる。

上記構成において、前記複数のパターンは、前記共振領域の前記外周の略相似形である構成とすることができる。

上記構成において、前記複数のパターンは、前記経路において、周期的に設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域は、点対称な形状を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記負荷膜は、前記上部電極上に形成される構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域において、前記基板と前記下部電極との間に空隙が形成されている構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域において、前記下部電極下に前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備する構成とすることができる。

本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むことを特徴とするフィルタである。

上記構成において、１または複数の直列共振器と１または複数の並列共振器を含み、前記直列共振器の少なくとも１つは前記圧電薄膜共振器である構成とすることができる。

本発明によれば、スプリアスを抑制することができる。

図１は、ラダー型フィルタを示す図である。 図２（ａ）は、実施例１の圧電薄膜共振器の上面図、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、それぞれ直列共振器および並列共振器の断面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、負荷膜の例を示す平面図である。 図４は、シミュレーションに用いた共振領域の断面図である。 図５（ａ）は、比較例１における共振器の横方向に伝搬する板波の分散特性（シミュレーション結果）であり、Ｘ伝搬成分の波数に対する周波数を示す図、図５（ｂ）は、規格化周波数に対するアドミッタンスを示す図である。 図６（ａ）は、実施例１における波数に対する周波数、図６（ｂ）は、規格化周波数に対するアドミッタンスを示す図である。 図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例１における規格化周波数に対するアドミッタンスを示す図である。 図８は、実施例２における周波数に対するアドミッタンスを示す図である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ比較例２および実施例３における周波数に対するアドミッタンスを示す図である。 図１０（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の断面図であり、図１０（ｂ）は、実施例４の変形例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。

以下、図面を参照に本発明に係る実施例について説明する。

まず、実施例に係る弾性波デバイスが用いられる例としてラダー型フィルタについて説明する。図１は、ラダー型フィルタを示す図である。図１のように、ラダー型フィルタ１００は、１または複数の直列共振器Ｓ１〜Ｓ４および１または複数の並列共振器Ｐ１〜Ｐ３を備えている。直列共振器Ｓ１〜Ｓ４は、入出力端子Ｔ１とＴ２との間に直列に接続されている。並列共振器Ｐ１〜Ｐ３は、入出力端子Ｔ１とＴ２との間に並列に接続されている。

図２（ａ）は、実施例１の圧電薄膜共振器の上面図、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、それぞれ直列共振器および並列共振器の断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。基板１０上に、下部電極１２が形成されている。基板１０の平坦主面と下部電極１２との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙３０の周辺では空隙３０の高さが小さく、空隙３０の内部ほど空隙３０の高さが大きくなるような形状の膨らみである。

下部電極１２上に、圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。圧電膜１４を挟み下部電極１２と上部電極１６とが対向する領域が共振領域５０である。共振領域５０は、楕円形状を有し、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。下部電極１２と上部電極１６とは圧電膜１４の少なくとも一部を挟み対向する。図２（ａ）から図２（ｃ）のように、下部電極１２と上部電極１６とは圧電膜１４の一部を挟み対向してもよい。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。上部電極１６上に負荷膜２８が設けられている。

上部電極１６上には周波数調整膜２４が設けられている。共振領域５０内の積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、上部電極１６、負荷膜２８および周波数調整膜２４を含む。周波数調整膜２４はパッシベーション膜として機能してもよい。

図２（ａ）のように、下部電極１２には犠牲層をエッチングするための導入路３２が形成されている。犠牲層は空隙３０を形成するための層である。導入路３２の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路３２の先端に孔部３４を有する。図２（ａ）および図２（ｂ）のように、圧電膜１４には下部電極１２と電気的に接続するための開口部３６が設けられている。開口部３６の底の下部電極１２の引き出し配線上および／または上部電極１６の引き出し配線上には外部接続用のＡｕ等のバンプ用下地膜が設けられていてもよい。

図２（ａ）および図２（ｃ）を参照し、並列共振器Ｐの構造について説明する。並列共振器Ｐは直列共振器Ｓと比較し、上部電極１６の下層１６ａと上層１６ｂとの間に、質量負荷膜２０が設けられている。負荷膜２８は設けられていない。よって、積層膜１８は直列共振器Ｓの積層膜に加え、共振領域５０内の全面に形成された質量負荷膜２０を含み、負荷膜２８を含まない。その他の構成は直列共振器Ｓの図１（ｂ）と同じであり説明を省略する。

直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差は、質量負荷膜２０および負荷膜２８を用い調整する。直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜２４の膜厚を調整することにより行なう。

基板１０としては、シリコン基板、石英基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ基板等を用いることができる。下部電極１２および上部電極１６としては、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）またはＩｒ（イリジウム）等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。圧電膜１４としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰｂＴｉＯ₃（チタン酸鉛）等を用いることができる。

周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または窒化アルミニウム等を用いることができる。質量負荷膜２０および負荷膜２８としては、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＩｒ等の単層膜を用いることができる。また、例えば窒化シリコンまたは酸化シリコン等の窒化金属または酸化金属からなる絶縁膜を用いることもできる。質量負荷膜２０および負荷膜２８は、下部電極１２の下、下部電極１２の層間、上部電極１６の上、上部電極１６の層間、下部電極１２と圧電膜１４との間または圧電膜１４と上部電極１６との間に形成することができる。質量負荷膜２０は、共振領域５０を含むように形成されていれば、共振領域５０より大きくてもよい。負荷膜２８は、共振領域５０内に複数のパターンを有する。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、負荷膜の例を示す平面図である。図３（ａ）を参照し、共振領域５０は楕円形状を有している。共振領域５０内に複数のパターン５２を有する負荷膜２８が設けられている。図３（ｂ）を参照し、共振領域５０は、四角形状を有している。共振領域５０内に複数のパターン５２を有する負荷膜２８が設けられている。図３（ａ）および図３（ｂ）において、複数のパターン５２は、それぞれ共振領域５０の相似（homothetic）形状であり、共振領域５０の中央６０から外周６２に至る経路６４において周期的に形成されている。

次に、シミュレーション結果について説明する。図４は、シミュレーションに用いた共振領域の断面図である。圧電膜１４を挟み下部電極１２および上部電極１６が形成されている。上部電極１６上に負荷膜２８が形成されている。負荷膜２８は複数のパターン５２を有している。パターン５２はピッチＰ０および幅Ｗ０を有している。

シミュレーションは、共振領域５０の中心と端を結ぶ一次元直線について行なった。各膜の材料および膜厚を以下とした。
負荷膜２８： Ｃｕ １５０ｎｍ
上部電極１６： Ｒｕ ３００ｎｍ
圧電膜１４： ＡｌＮ １６００ｎｍ
下部電極１２： Ａｌ ３００ｎｍ

比較例１として負荷膜２８を設けない構造についてもシミュレーションを行なった。

図５（ａ）は、比較例１におけるおける共振器の横方向に伝搬する板波の分散特性（シミュレーション結果）であり、Ｘ伝搬成分の波数に対する周波数を示す図、図５（ｂ）は、規格化周波数に対するアドミッタンスを示す図である。図５（ａ）を参照し、横軸は図４の横方向の波数である。４つのモードが観測される。モードＡ０は、非対称モードの基底モードである。モードＳ０は、対称モードの基底モードである。モードＡ１は、非対称モードの１次モードである。モードＳ１は、対称モードの１次モードであり、圧電薄膜共振器の主モードである。波数が０において、厚み縦モードの応答が生じる。波数が０より大きい場合、横方向に弾性波が伝搬する。横方向に伝搬した弾性波は共振領域５０の端において反射し、スプリアスが発生し易くなる。モードＳ１の波数が０の周波数が共振周波数ｆｒ（この例では約２．０３ＧＨｚ）に対応する。モードＳ１において、波数が０から大きくなると周波数が低くなる。周波数が約１．８７ＧＨｚを越えると、周波数は波数にともない高くなる。周波数が１．８７ＧＨｚと２．０３ＧＨｚとの間の領域５４においてスプリアスが発生しやすくなる。

図５（ｂ）を参照し、規格化周波数は、（周波数ｆ−共振周波数ｆｒ）／ｆｒにより計算される。共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａが観測される。共振周波数ｆｒの低周波数側の領域５６にスプリアスが発生する。このスプリアスは、図５（ａ）の領域５４におけるスプリアスである。このように、比較例１においては、共振周波数の低周波数側にスプリアスが発生する。

図６（ａ）は、実施例１における波数に対する周波数、図６（ｂ）は、規格化周波数に対するアドミッタンスを示す図である。シミュレーションしたサンプルは、ピッチＰ０＝π／βとし、β＝０．２５ｒａｄ／μｍ、Ｗ０／Ｐ０＝０．５である。図６（ａ）を参照し、モードＳ１が０．５ｒａｄ／μｍ周期の波状となる。これにより、領域５４が狭くなる。モードＳ１以外のモードでは、負荷膜２８の影響は小さい。図６（ｂ）を参照し、共振周波数ｆｒの低周波数側の領域５６におけるスプリアスが小さくなっている。

図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例１における規格化周波数に対するアドミッタンスを示す図である。図７（ａ）から図７（ｃ）はそれぞれβが０．１６７ｒａｄ／μｍ、０．１６ｒａｄ／μｍおよび０．１５４ｒａｄ／μｍのシミュレーション結果である。いずれの場合もＷ０／Ｐ０＝０．５である。βが０．１６７ｒａｄ／μｍおよび０．１６ｒａｄ／μｍでは、共振周波数の低周波数側にスプリアスは観測されない。βが０．１５４ｒａｄ／μｍでは、スプリアスが観測される。以上のように、βが０．１６ｒａｄ／μｍから０．２５ｒａｄ／μｍにおいて、スプリアスが抑制される。これは、弾性波の波長をλとしたとき、ピッチＰ０が２λから３．５λに対応する。

各膜の材料および膜厚を以下とし、その他の条件を実施例１と同じとしシミュレーションした。
負荷膜２８： Ｒｕ ２００ｎｍ
上部電極１６： Ｒｕ ３００ｎｍ
圧電膜１４： ＡｌＮ １０００ｎｍ
下部電極１２： Ｒｕ ３００ｎｍ
Ｗ０／Ｐ０＝０．５
β＝５／９

図８は、実施例２における周波数に対するアドミッタンスを示す図である。図８を参照し、実施例２においては、共振周波数の低周波数側の領域５６にスプリアスが観測されていない。

各膜の材料および膜厚を以下とし、その他の条件を実施例１と同じとしシミュレーションした。負荷膜２８を設けず、その他の条件は実施例３と同じ比較例２についてもシミュレーションした。
負荷膜２８： Ｍｏ １００ｎｍ
上部電極１６： Ｍｏ １００ｎｍ
圧電膜１４： ＺｎＯ １５２０ｎｍ
下部電極１２： Ｍｏ １００ｎｍ
Ｗ０／Ｐ０＝０．５
β＝０．２５

図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ比較例２および実施例３における周波数に対するアドミッタンスを示す図である。図９（ａ）を参照し、圧電膜１４をＺｎＯとすると、共振周波数と反共振周波数との間の領域５８にスプリアスが形成される。図９（ｂ）を参照し、負荷膜２８を設けることにより、領域５８のスプリアスを抑制することができる。

実施例１から３によれば、図３（ａ）および図３（ｂ）のように、複数のパターン５２が、共振領域５０の中央６０から外周６２に至る経路６４（例えば直線経路）において複数のパターン５２を横切り、かつ中央６０を囲むように形成されている。これにより共振領域５０を横方向に伝搬する弾性波を抑制することができる。よって、スプリアスを抑制できる。

また、複数のパターン５２は、各々一部が共振領域５０の中央６０を囲むように形成されていれば、横方向の弾性波の伝搬を抑制し、スプリアスを抑制できる。例えば、複数のパターン５２のそれぞれは、共振領域５０の中央を５０％以上囲んでいることが好ましく、７５％以上囲んでいることがより好ましい。よりスプリアスを抑制するため、図５（ａ）および図５（ｂ）のように、複数のパターン５２は、共振領域５０の中央６０を囲む閉線であることが好ましい。例えば、複数のパターン５２のそれぞれは、共振領域５０の中央６０を１００％囲んでいることが好ましい。共振領域５０の中央６０は、共振領域５０の幾何学的中心でもよいが、幾何学的中心からずれていてもよい。

さらに、複数のパターン５２は、共振領域５０の外周の略相似形であることが好ましい。これにより、複数のパターン５２は、共振領域５０の中央６０から外周６２にかけて均一に設けられる。よって、よりスプリアスを抑制できる。

さらに、複数のパターン５２は、共振領域５０の中央６０から外周６２に向かう経路６４において、周期的に設けられていることが好ましい。これにより、複数のパターン５２は、共振領域５０の中央６０から外周６２に均一に設けられる。よって、よりスプリアスを抑制できる。

さらに、共振領域５０は、点対称な形状を有することが好ましい。これにより、よりスプリアスを抑制できる。共振領域５０は、点対称でなくともよく、例えば五角形状等の多角形形状または円形状でもよい。

実施例４は、空隙の構成を変えた例である。図１０（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１０（ａ）に示すように、基板１０の上面に窪みが形成されている。下部電極１２は、基板１０上に略平坦に形成されている。これにより、空隙３０が、基板１０の窪みに形成されている。空隙３０は共振領域５０に形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。空隙３０は、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。

実施例４の変形例は、空隙の代わりに音響反射膜を設ける例である。図１０（ｂ）は、実施例４の変形例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１０（ｂ）に示すように、共振領域５０の下部電極１２下に音響反射膜３１が形成されている。音響反射膜３１は、音響インピーダンスの低い膜３０ａと音響インピーダンスの高い膜３０ｂとが交互に設けられている。膜３０ａおよび３０ｂの膜厚は例えばそれぞれλ／４（λは弾性波の波長）程度である。膜３０ａと膜３０ｂの積層数は任意に設定できる。その他の構成は、実施例１から３と同じであり説明を省略する。

実施例１から４のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において空隙３０が基板１０と下部電極１２との間に形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）でもよい。また、実施例４の変形例のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において下部電極１２下に圧電膜１４を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜３１を備えるＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）でもよい。

図１のようなラダー型フィルタ１００においては、直列共振器Ｓの共振周波数が通過帯域の高周波数端となり、並列共振器Ｐの反共振周波数が通過帯域の低周波数端となる。このため、圧電膜１４をＡｌＮとした場合、直列共振器Ｓにおいて、共振周波数の低周波数側にスプリアスが形成されると、通過帯域内にリップルが形成される。一方、並列共振器Ｐにおいて、共振周波数の低周波数側にスプリアスが形成されても通過帯域内にリップルは形成されない。よって、少なくとも１つの直接共振器Ｓは、実施例１または２の圧電薄膜共振器であることが好ましい。直列共振器Ｓの全てが実施例１、２、４およびその変形例の圧電薄膜共振器であることがより好ましい。並列共振器Ｐが実施例１、２、４およびその変形例の圧電薄膜共振器でもよい。

一方、圧電膜１４をＺｎＯとした場合、共振周波数と反共振周波数との間の領域にスプリアスが形成される。この場合、直列共振器Ｓおよび並列共振器Ｐの両方のスプリアスが通過帯域に形成される。よって、直列共振器Ｓおよび並列共振器Ｐの両方の全ての共振器を実施例３、４およびその変形例の圧電薄膜共振器とすることが好ましい。これにより、通過帯域内のリップルをより抑制できる。また、直列共振器Ｓおよび並列共振器Ｐの少なくとも１つの共振器を実施例３、４およびその変形例の圧電薄膜共振器としてもよい。

さらに、ラダー型フィルタ以外のフィルタに実施例１から４およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例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。

１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電薄膜
１６ 上部電極
１８ 積層膜
２０ 質量負荷膜
２４ 周波数調整膜
２８ 負荷膜
５０ 共振領域
５２ パターン
６０ 中央
６２ 外周
６４ 経路

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた圧電膜と、
   前記圧電膜を挟んで設けられた下部電極および上部電極と、
   前記圧電膜を挟み前記下部電極および上部電極が対向する共振領域内に、複数のパターンから形成された負荷膜と、
   を具備し、
   前記複数のパターンは、前記共振領域の中央から外周に至る経路において前記複数のパターンを横切りかつ前記中央を囲むように形成されていることを特徴とする圧電薄膜共振器。
2. 前記複数のパターンは、前記中央を囲む閉線であることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振器。
3. 前記複数のパターンは、前記共振領域の前記外周の略相似形であることを特徴とする請求項２記載の圧電薄膜共振器。
4. 前記複数のパターンは、前記経路において、周期的に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
5. 前記共振領域は、点対称な形状を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
6. 前記負荷膜は、前記上部電極上に形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
7. 前記共振領域において、前記基板と前記下部電極との間に空隙が形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
8. 前記共振領域において、前記下部電極下に前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
9. 請求項１から８のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を含むことを特徴とするフィルタ。
10. １または複数の直列共振器と１または複数の並列共振器を含み、
    前記直列共振器の少なくとも１つは前記圧電薄膜共振器であることを特徴とする請求項９記載のフィルタ。

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