JP2015119249A - 圧電薄膜共振器およびその製造方法、フィルタ並びにデュプレクサ - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電薄膜共振器のＱ値を向上させ、かつ、圧電膜の配向性を高めること。【解決手段】基板１０と、前記基板上に設けられた下部圧電膜１４ａと、前記下部圧電膜上に形成された上部圧電膜１４ｂと、を有する圧電膜１４と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極１６と、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に挿入され、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域５０内の外周領域５２に設けられ、前記共振領域の中央領域５４には設けられていない挿入膜２８と、を具備し、前記挿入膜が形成されていない領域における前記下部圧電膜の上面のラフネスは、前記挿入膜が形成された領域における前記下部圧電膜の上面のラフネスより小さいことを特徴とする圧電薄膜共振器。【選択図】図１
Description
本発明は、圧電薄膜共振器およびその製造方法、フィルタ並びにデュプレクサに関し、例えば圧電膜内に挿入膜を備える圧電薄膜共振器およびその製造方法、フィルタ並びにデュプレクサに関する。
圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば携帯電話等の無線機器のフィルタおよびデュプレクサ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。
無線システムの急速な普及にともない、多くの周波数帯が使用されている。その結果、フィルタやデュプレクサのスカート特性を急峻化する要求が強まっている。スカート特性を急峻化する対策の一つに圧電薄膜共振器のＱ値を高めることがある。圧電薄膜共振器のＱ値が劣化する要因の一つに、弾性波エネルギーが共振領域から外部へ漏洩することが挙げられる。
特許文献１には、下部電極または上部電極の表面に環帯を設けることにより、Ｑ値を向上させることが記載されている。
しかしながら、特許文献１の構造では、共振領域から外部に漏洩する弾性波エネルギーを十分に抑制することができない。よって、Ｑ値の向上が不十分である。また、圧電膜の配向性は実効的電気機械結合係数ｋ２ｅｆｆ等の共振特性に影響する。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電薄膜共振器のＱ値を向上させ、かつ、圧電膜の配向性を高め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下部圧電膜と、前記下部圧電膜上に形成された上部圧電膜と、を有する圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に挿入され、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域内の外周領域に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、を具備し、前記挿入膜が形成されていない領域における前記下部圧電膜の上面のラフネスは、前記挿入膜が形成された領域における前記下部圧電膜の上面のラフネスより小さいことを特徴とする圧電薄膜共振器である。
上記構成において、前記挿入膜の上面のラフネスは、前記挿入膜が形成された領域における前記下部圧電膜の上面のラフネスより小さい構成とすることができる。
上記構成において、前記上部圧電膜の上面のラフネスは、前記挿入膜が形成されていない領域における前記下部圧電膜の上面のラフネスより大きい構成とすることができる。
上記構成において、前記上部圧電膜の上面のラフネスは、前記挿入膜の上面のラフネスより大きい構成とすることができる。
上記構成において、前記挿入膜のヤング率は前記圧電膜のヤング率より小さい構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とす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または前記下部電極に接する絶縁膜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、前記下部電極の前記圧電膜とは反対側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。
本発明は、送信フィルタと受信フィルタとを具備し、前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方が上記フィルタであることを特徴とするデュプレクサである。
本発明は、基板上に、下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に下部圧電膜を形成する工程と、前記下部圧電膜上に、共振領域内の外周領域に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜を形成する工程と、前記下部圧電膜の上面および前記挿入膜の上面をラフネスが小さくなるように処理する工程と、前記下部圧電膜および前記挿入膜上に上部圧電膜を形成することにより、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とで圧電膜を形成する工程と、前記下部電極と上部電極とが前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した前記共振領域を形成するように、前記圧電膜上に前記上部電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする圧電薄膜共振器の製造方法である。
上記構成において、前記挿入膜を形成する工程の前に、前記下部圧電膜の上面のラフネスを大きくする処理を行なう工程を含む構成とすることができる。
本発明によれば、圧電薄膜共振器のＱ値を向上させ、かつ、圧電膜の配向性を高めることができる。
以下図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。
図１（ａ）および図１（ｃ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。シリコン（Ｓｉ）基板である基板１０上に、下部電極１２が設けられている。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は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａは例えばＣｒ（クロム）膜であり、上層１２ｂは例えばＲｕ（ルテニウム）膜である。
下部電極１２上に、（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は、下部電極１２上に設けられた下部圧電膜１４ａと、下部圧電膜１４ａ上に設けられた上部圧電膜１４ｂと、を有する。挿入膜２８は、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入されている。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向のほぼ中央に設けられている。挿入膜２８が設けられるのは、膜厚方向の中央でなくともよいが、中央に設けることにより、挿入膜２８としての機能をより発揮する。圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域５０）を有するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。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。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａは例えばＲｕ膜であり、上層１６ｂは例えばＣｒ膜である。
上部電極１６上には周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が形成されている。共振領域５０内の積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜２８、上部電極１６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１（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３３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３３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３３の先端に孔部３５を有する。
図１（ａ）および図１（ｄ）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。質量負荷膜２０は、例えばＴｉ（チタン）膜である。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を含む。その他の構成は直列共振器Ｓの図１（ｃ）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の膜厚を用い調整する。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。
２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、下部電極１２の下層１２ａはＣｒ膜であり、下層１２ａの膜厚は１００ｎｍである。下部電極１２の上層１２ｂはＲｕ膜であり、上層１２ｂの膜厚は２５０ｎｍである。圧電膜１４はＡｌＮ膜であり、圧電膜１４の膜厚は１１００ｎｍである。下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂの膜厚はそれぞれ５５０ｎｍである。挿入膜２８は酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜であり、挿入膜２８の膜厚は１５０ｎｍである。上部電極１６の下層１６ａはＲｕ膜であり、下層１６ａの膜厚は２５０ｎｍ、上部電極１６の上層１６ｂはＣｒ膜であり、上層１６ｂの膜厚は５０ｎｍである。周波数調整膜２４は酸化シリコン膜であり、周波数調整膜２４の膜厚は５０ｎｍである。質量負荷膜２０はＴｉ膜であり、質量負荷膜２０の膜厚は１２０ｎｍである。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。
図１（ｂ）に示すように、挿入膜２８は、共振領域５０内の外周領域５２に設けられ中央領域５４に設けられていない。外周領域５２は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の外周を含み外周に沿った領域である。外周領域５２は、例えば帯状およびリング状である。中央領域５４は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の中央を含む領域である。中央は幾何学的な中心でなくてもよい。挿入膜２８は、外周領域５２に加え共振領域５０を囲む領域５６に設けられている。挿入膜２８は、外周領域５２から共振領域５０外まで連続して設けられている。
基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、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およびＣｒ以外にもＡｌ（アルミニウム）、Ｔｉ、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。例えば、上部電極１６の下層１６ａをＲｕ膜、上層１６ｂをＭｏ膜としてもよい。圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、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。また、例えば、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素としてＳｃ（スカンジウム）を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上するため、圧電薄膜共振器の実効的電気機械結合係数を向上できる。
挿入膜２８としては、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｃｒ、またはＳｉＯ２等の圧電膜１４よりヤング率の小さい材料を用いることが好ましい。これにより、Ｑ値を向上できる。また、挿入膜２８として金属膜を用いることにより、実効的電気機械結合係数を向上できる。詳細は後述する。
周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも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としては、Ｔｉ以外にも、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は、上部電極１６の層間以外にも、下部電極１２の下、下部電極１２の層間、上部電極１６の上、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。
図２（ａ）から図３（ｄ）は、実施例１に係る直列共振器の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、平坦主面を有する基板１０上に空隙を形成するための犠牲層３８を形成する。犠牲層３８の膜厚は、例えば１０〜１００ｎｍであり、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＧｅまたはＳｉＯ２等のエッチング液またはエッチングガスに容易に溶解できる材料から選択される。その後、犠牲層３８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。犠牲層３８の形状は、空隙３０の平面形状に相当する形状であり、例えば共振領域５０となる領域を含む。次に、犠牲層３８および基板１０上に下部電極１２として下層１２ａおよび上層１２ｂを形成する。犠牲層３８および下部電極１２は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜される。その後、下部電極１２を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。下部電極１２は、リフトオフ法により形成してもよい。
図２（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に下部圧電膜１４ａを、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。図２（ｃ）に示すように、下部圧電膜１４ａの上面６０のラフネス（表面の粗さ）が大きくなるように表面処理７０する。表面処理７０としては、例えばＡｒ（アルゴン）プラズマを下部圧電膜１４ａの上面に照射することにより行なう。Ａｒ以外にＨｅ（ヘリウム）、またはＸｅ（キセノン）等の不活性ガスを用いてもよい。挿入膜２８をスパッタリング法を用い形成する場合、Ａｒプラズマ処理をスパッタリング装置内において行なうこともできる。また、化学エッチング等の化学反応を用い下部圧電膜１４ａの表面処理７０を行なってもよい。これにより、下部圧電膜１４ａの上面６０のラフネスが大きくなる。
図２（ｄ）に示すように、下部圧電膜１４ａ上に挿入膜２８を、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。挿入膜２８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。挿入膜２８は、リフトオフ法により形成してもよい。下部圧電膜１４ａの上面６０のラフネスが大きいため、挿入膜２８と下部圧電膜１４ａとの密着性が向上する。これにより、挿入膜２８のはがれを抑制できる。挿入膜２８の上面６２は、下部圧電膜１４ａの上面６０のラフネスを反映しラフネスが大きくなる。
図２（ｅ）に示すように、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８の上面のラフネスが小さくなるように、表面処理７２する。表面処理７２は、図２（ｃ）と同様の方法で行なう。例えば、Ａｒプラズマを下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８の上面６０、６２に照射する。プラズマ処理を行なう場合、例えばプラズマ生成のパワーを大きくし処理時間を短くするとラフネスが大きくなり、パワーを小さくして処理時間を長くするとラフネスが小さくなる。挿入膜２８が形成された領域の下部圧電膜１４ａの上面６０より、挿入膜２８が形成されていない領域の下部圧電膜１４ａの上面６１のラフネスが小さくなる。また、挿入膜２８が形成された領域の下部圧電膜１４ａの上面６０より、挿入膜２８の上面６３のラフネスが小さくなる。
図３（ａ）に示すように、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８上に、上部圧電膜１４ｂを、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。上部圧電膜１４ｂの上面６４は、下部圧電膜１４ａの上面６１および挿入膜２８の上面６３のラフネスを反映しラフネスが小さくなる。下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとから圧電膜１４が形成される。
図３（ｂ）に示すように、上部圧電膜１４ｂの上面のラフネスが大きくなるように、表面処理７４する。表面処理７４は、図２（ｃ）と同様の方法で行なう。例えば、Ａｒプラズマを上部圧電膜１４ｂの上面に照射する。これにより、上部圧電膜１４ｂの上面６５のラフネスは、挿入膜２８が形成された領域の下部圧電膜１４ａの上面６１および挿入膜２８の上面６３のラフネスより大きくなる。
図３（ｃ）に示すように、圧電膜１４上に、上部電極１６を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。上部電極１６は、リフトオフ法により形成してもよい。
なお、図１（ｄ）に示す並列共振器においては、下層１６ａを形成した後に、質量負荷膜２０を、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。質量負荷膜２０をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。その後、上層１６ｂを形成する。
周波数調整膜２４を例えばスパッタリング法またはＣＶＤ法を用い形成する。フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い周波数調整膜２４を所望の形状にパターニングする。
図３（ｄ）に示すように、孔部３５および導入路３３（図１（ａ）参照）を介し、犠牲層３８のエッチング液を下部電極１２の下の犠牲層３８に導入する。これにより、犠牲層３８が除去される。犠牲層３８をエッチングする媒体としては、犠牲層３８以外の共振器を構成する材料をエッチングしない媒体であることが好ましい。特に、エッチング媒体は、エッチング媒体が接触する下部電極１２がエッチングされない媒体であることが好ましい。積層膜１８の応力を圧縮応力となるように設定しておく。これにより、犠牲層３８が除去されると、積層膜１８が基板１０の反対側に基板１０から離れるように膨れる。下部電極１２と基板１０との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成される。以上により、図１（ａ）および図１（ｃ）に示した直列共振器Ｓ、および図１（ａ）および１（ｄ）に示した並列共振器Ｐが作製される。
実施例１の効果を調べるため、下部圧電膜１４ａの上面のラフネスと上部圧電膜１４ｂの結晶性の関係を調べた。
サンプルＡおよびＢを以下のように作製した。
１）下部圧電膜１４ａとして膜厚が５５０ｎｍのＡｌＮ膜をＡｒスパッタリングにより形成する。
２）下部圧電膜１４ａの上面のラフネスを大きくする表面処理７０をＡｒプラズマ照射により行なう。
３）挿入膜２８として膜厚が１５０ｎｍの酸化シリコン膜をＡｒスパッタリングにより形成する。
４）下部圧電膜１４ａの上面のラフネスを小さくする表面処理７２をＡｒプラズマ照射により行なう。
５）下部圧電膜１４ａ上に上部圧電膜１４ｂとして膜厚が５５０ｎｍのＡｌＮ膜をＡｒスパッタリングより形成する。
１）下部圧電膜１４ａとして膜厚が５５０ｎｍのＡｌＮ膜をＡｒスパッタリングにより形成する。
２）下部圧電膜１４ａの上面のラフネスを大きくする表面処理７０をＡｒプラズマ照射により行なう。
３）挿入膜２８として膜厚が１５０ｎｍの酸化シリコン膜をＡｒスパッタリングにより形成する。
４）下部圧電膜１４ａの上面のラフネスを小さくする表面処理７２をＡｒプラズマ照射により行なう。
５）下部圧電膜１４ａ上に上部圧電膜１４ｂとして膜厚が５５０ｎｍのＡｌＮ膜をＡｒスパッタリングより形成する。
表面処理７０および７２の条件は以下である。
表面処理７０
ガス：Ａｒ
高周波電力パワー：５００Ｗ
Ａｒプラズマ照射時間：１分
表面処理７２
ガス：Ａｒ
高周波電力パワー：１５０Ｗ
Ａｒプラズマ照射時間：１０分
表面処理７０
ガス：Ａｒ
高周波電力パワー：５００Ｗ
Ａｒプラズマ照射時間：１分
表面処理７２
ガス：Ａｒ
高周波電力パワー：１５０Ｗ
Ａｒプラズマ照射時間：１０分
サンプルＡは、表面処理７２を行なわず、サンプルＢは、表面処理７２を行なった。これにより、サンプルＢの下部圧電膜１４ａの上面のラフネスはサンプルＡのラフネスより小さい。
サンプルＡとサンプルＢの上部圧電膜１４ｂのＸ線回折評価を行なった。図４は、２θに対するＸ線強度を示す図である。破線および実線は、それぞれサンプルＡおよびＢのロッキングカーブであり、ピークは（００２）面の信号である。図４に示すように、サンプルＢは、サンプルＡに比べ、信号強度が大きく、ロッキカーブの半値幅が小さい。サンプルＡおよびＢのロックングカーブの半値幅は、それぞれ１．２２°および０．９９°である。これは、サンプルＢはＡに比べ上部圧電膜１４ｂの結晶性が高いことを示している。
図５（ａ）から図６は、実施例１におけるＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）画像を示す図である。各条件は、サンプルＢと同じである。表面処理７０と同じ条件で上部圧電膜１４ｂの上面を表面処理７４した後、上部電極１６を形成している。
図５（ａ）は、上部圧電膜１４ｂと上部電極１６との界面８５のＴＥＭ画像である。図５（ｂ）は、下部圧電膜１４ａと挿入膜２８との界面８０、挿入膜２８と上部圧電膜１４ｂとの界面８３のＴＥＭ画像である。図６は、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの界面８１のＴＥＭ画像である。
図５（ａ）から図６に示すように、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂはｃ軸（００２）方向に配向している。図５（ｂ）に示すように、界面８３は界面８０よりラフネスが小さい。図５（ｂ）および図６に示すように、界面８１は界面８０よりラフネスが小さい。界面８１と８３とのラフネスはほぼ同じである。図５（ａ）から図６に示すように、界面８５は、界面８１および８３よりラフネスが大きい。界面８５と８０とのラフネスはほぼ同じである。
図７は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の断面模式図であり、図５（ａ）から図６をまとめた図である。図７に示すように、挿入膜２８が形成されていない領域７８における下部圧電膜１４ａの上面６１のラフネスＲ１は、挿入膜２８が形成された領域７６における下部圧電膜１４ａの上面６０のラフネスＲ０より小さい。挿入膜２８の上面６３のラフネスＲ３はラフネスＲ０より小さい。上部圧電膜１４ｂの上面６５のラフネスＲ５は、ラフネスＲ１およびＲ３より大きい。
各上面６０、６１、６３および６５のラフネスを考慮せず（すなわち、各上面を平坦と仮定する）、挿入膜２８の効果をシミュレーションした。図８（ａ）は、シミュレーションした圧電薄膜共振器の平面図、図８（ｂ）は、挿入膜の平面図、図８（ｃ）および図８（ｄ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図８（ａ）から図８（ｄ）に示すように、挿入膜２８が、共振領域５０の外側に連続して形成されている。挿入膜２８に孔部３５に連通する孔３４が形成されている。その他の構成は、実施例１の図１（ａ）から図１（ｄ）と同じであり説明を省略する。
挿入膜２８の材料を変え、反共振点のＱ値について有限要素法を用いシミュレーションした。有限要素法は、図８（ｃ）のような断面の２次元解析により行なった。積層膜１８の各膜厚および材料は図１（ａ）から図１（ｄ）の２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器として例示したものとした。すなわち、圧電膜１４をＡｌＮとした。挿入膜２８を酸化シリコン膜とし、膜厚を１５０ｎｍとし、共振領域５０と挿入膜２８との重なる幅Ｗを２μｍとした。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向の中間位置に設けられているとした。
図９（ａ）は、ヤング率に対する反共振点のＱ値、図９（ｂ）は、ヤング率に対する実効的電気機械結合係数ｋ２ｅｆｆを示す図である。比較例１は、挿入膜２８を設けない共振器に対応する。挿入膜２８の材料として、Ａｌ、ＳｉＯ２、Ｔｉ、Ｃｒ，ＡｌＮ、ＲｕおよびＷについて計算した。
図９（ａ）を参照し、ヤング率が小さい材料を挿入膜２８とすることにより反共振点のＱ値が高くなる。ヤング率がＡｌＮより小さくなると、Ｑ値が比較例１より高くなる。これは、以下の理由による。すなわち、外周領域５２にヤング率が小さい挿入膜２８が設けられることにより、共振領域５０の外周領域５２において弾性波の振動が小さくなる。これにより、共振領域５０の外周が固定端として弾性波が固定端反射される。よって、弾性波のエネルギーが共振領域５０の外に漏れることを抑制する。これにより、Ｑ値が高くなる。挿入膜２８のヤング率は、圧電膜１４のヤング率より小さいことが好ましく、圧電膜１４のヤング率の９０％以下がより好ましく、８０％以下がより好ましい。
図９（ｂ）を参照し、実効的電気機械結合係数ｋ２ｅｆｆは、挿入膜２８を金属とすると高くなる。挿入膜２８を金属とすることにより共振領域５０における弾性波の電界分布が揃うためと推測される。
しかしながら、実際に挿入膜２８を有する圧電薄膜共振器を作製すると、図４のサンプルＢのように、上部圧電膜１４ｂの配向性が劣化する。上部圧電膜１４ｂの配向性が劣化すると、実効的電気機械結合係数等の性能が劣化してしまう。
挿入膜２８を形成する前の下部圧電膜１４ａの上面６０のラフネスを小さくすることが考えられる。しかしながら、下部圧電膜１４ａの上面６０のラフネスが小さいと、挿入膜２８と下部圧電膜１４ａとの密着性が悪くなる。このため、挿入膜２８が剥離する可能性がある。
実施例１によれば、図２（ｄ）のように、ラフネスが大きい下部圧電膜１４ａの上面６０上に、挿入膜２８を形成する。これにより、挿入膜２８と下部圧電膜１４ａとの密着性を向上できる。図２（ｅ）のように、下部圧電膜１４ａの上面６１および挿入膜２８の上面６３をラフネスが小さくなるように処理する。図３（ａ）のように、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８上に上部圧電膜１４ｂを形成する。これにより、図４のサンプルＡのように、上部圧電膜１４ｂの配向性を向上できる。よって、実効的電気機械結合係数を向上させることができる。このように、挿入膜２８を設けることにより圧電薄膜共振器のＱ値を向上させ、かつ、圧電膜１４の配向性を高めることができる。
図２（ｂ）のように、下部圧電膜１４ａを形成した際に、下部圧電膜１４ａの上面のラフネスが小さい場合、図２（ｃ）のように、挿入膜２８を形成する前に、下部圧電膜１４ａの上面のラフネスを大きくする処理を行なう。これにより、挿入膜２８の密着性を向上できる。なお、下部圧電膜１４ａを形成した際に下部圧電膜１４ａの上面のラフネスが挿入膜２８が剥離しない程度に大きい場合、下部圧電膜１４ａの上面のラフネスを大きくする処理は行なわなくともよい。
このように製造された圧電薄膜共振器においては、図７のように、挿入膜２８が形成されていない領域７８における下部圧電膜１４ａの上面６１のラフネスＲ１が、挿入膜２８が形成された領域７６における下部圧電膜１４ａの上面６０のラフネスＲ０より小さい。これにより、挿入膜２８と下部圧電膜１４ａとの密着性が向上し、かつ領域７８における上部圧電膜１４ｂの配向性を向上できる。
また、挿入膜２８の上面６３のラフネスＲ３は、挿入膜２８が形成された領域７６における下部圧電膜１４ａの上面６０のラフネスＲ０より小さい。これにより、領域７６における上部圧電膜１４ｂの配向性を向上できる。
さらに、図３（ｂ）のように、上部圧電膜１４ｂの上面６５をラフネスが大きくなるように処理する。図７のように、上部圧電膜１４ｂの上面６５のラフネスＲ５は、領域７８における下部圧電膜１４ａの上面６１のラフネスＲ１より大きい。また、上部圧電膜１４ｂの上面６５のラフネスＲ５は、挿入膜２８の上面６３のラフネスＲ３より大きい。これにより、上部電極１６と上部圧電膜１４ｂとの密着性を向上できる。
上面６０、６１、６３および６５のラフネス（表面粗さ）の指標としては、例えばＲＭＳ（Root Mean Square:二乗平均の平方根）を用いることができる。上部圧電膜１４ｂの配向性を向上させるため、上面６１および６３のＲＭＳ（Root Mean Square:二乗平均の平方根）は２ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以下がより好ましい。挿入膜２８の密着性を向上させるため、上面６０および６５のＲＭＳは３ｎｍ以上が好ましく、４ｎｍ以上がより好ましい。また、他のラフネスの指標として、算術平均粗さＲａ（Calculated Average Roughness）または最大高さＲｙ(Maximum Height)を用いることもできる。
図１０（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１０（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１０（ｃ）および図１０（ｄ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１０（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１０（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。図１０（ａ）から図１０（ｄ）に示すように、挿入膜２８は、共振領域５０の外側には形成されていない。その他の構成は、実施例１の図１（ａ）から図１（ｄ）と同じであり、説明を省略する。
実施例１のように、挿入膜２８は、共振領域５０に重なり、共振領域５０外の領域５６に形成され、領域５６の外側には形成されていなくてもよい。実施例２のように、挿入膜２８は、共振領域５０以外には形成されておらず、共振領域５０内にのみ形成されていてもよい。また、図８（ａ）から図８（ｄ）と同様に、挿入膜２８は、中央領域５４以外のほぼ全体に形成されていてもよい。
実施例３は、空隙の構成を変えた例である。図１１（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の断面図、図１１（ｂ）は、実施例３の変形例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１１（ａ）に示すように、共振領域５０の積層膜はドーム状ではなく、平坦である。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を含むように形成されている。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。なお、下部電極１２の下面に絶縁膜が接して形成されていてもよい。すなわち、空隙３０は、基板１０と下部電極１２に接する絶縁膜との間に形成されていてもよい。絶縁膜としては、例えば窒化アルミニウム膜を用いることができる。
図１１（ｂ）に示すように、共振領域５０の積層膜はドーム状ではなく、平坦である。共振領域５０の下部電極１２の圧電膜１４とは反対側に音響反射膜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）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と同じであり説明を省略する。
なお、実施例３およびその変形例において、実施例２と同様に共振領域５０外に挿入膜２８が設けられていてもよい。また、挿入膜２８は共振領域５０外に設けられていなくてもよい。
実施例１から３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３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。
実施例１から実施例３およびその変形例において、共振領域５０が楕円形状の例を説明したが、他の形状でもよい。例えば、共振領域５０は、四角形または五角形等の多角形でもよい。
実施例４はデュプレクサの例である。図１２は、実施例４に係るデュプレクサの回路図である。図１２に示すように、デュプレクサは、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２を備えている。送信フィルタ４０は、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に接続されている。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に接続されている。共通端子Ａｎｔとグランドとの間には、整合回路としてインダクタＬ１が設けられている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。インダクタＬ１は、送信フィルタ４０を通過した送信信号が受信フィルタ４２に漏れず共通端子Ａｎｔから出力されるようにインピーダンスを整合させる。
送信フィルタ４０は、ラダー型フィルタである。送信端子Ｔｘ（入力端子）と共通端子Ａｎｔ（出力端子）との間に１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続されている。送信端子Ｔｘと共通端子Ａｎｔとの間に１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ３が並列に接続されている。並列共振器Ｐ１からＰ３のグランド側は共通にインダクタＬ２を介し接地されている。直列共振器、並列共振器およびインダクタ等の個数や接続は所望の送信フィルタ特性を得るため適宜変更可能である。直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３の少なくとも１つを実施例１から３および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
図１３（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、実施例１に係る圧電薄膜共振器を同一基板１０に形成し、ラダー型フィルタとすることができる。圧電膜１４に開口３６が形成されている。開口３６を介し下部電極１２と電気的に接続することができる。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。各共振器Ｓ１からＳ４およびＰ１からＰ３の共振領域５０の大きさおよび形状は、適宜変更可能である。
受信フィルタ４２は、ラダー型フィルタでもよく、多重モードフィルタでもよい。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方をラダー型フィルタまたはラティス型フィルタとすることができる。また、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方の少なくとも１つの共振器を実施例１から３および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
フィルタが実施例１から３および変形例の圧電薄膜共振器を含む。これにより、共振器のＱ値が向上し、フィルタのスカート特性を向上できる。また、圧電膜１４の配向性を向上できる。
また、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例１から３および変形例の圧電薄膜共振器を含むフィルタとすることができる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかか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 圧電膜
１６ 上部電極
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
６０、６１、６３、６５ 上面
７０、７２、７４ 表面処理
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
６０、６１、６３、６５ 上面
７０、７２、７４ 表面処理
Claims (12)
- 基板と、
前記基板上に設けられた下部圧電膜と、前記下部圧電膜上に形成された上部圧電膜と、を有する圧電膜と、
前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、
前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に挿入され、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域内の外周領域に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、
を具備し、
前記挿入膜が形成されていない領域における前記下部圧電膜の上面のラフネスは、前記挿入膜が形成された領域における前記下部圧電膜の上面のラフネスより小さいことを特徴とする圧電薄膜共振器。 - 前記挿入膜の上面のラフネスは、前記挿入膜が形成された領域における前記下部圧電膜の上面のラフネスより小さいことを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振器。
- 前記上部圧電膜の上面のラフネスは、前記挿入膜が形成されていない領域における前記下部圧電膜の上面のラフネスより大きいことを特徴とする請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
- 前記上部圧電膜の上面のラフネスは、前記挿入膜の上面のラフネスより大きい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。
- 前記挿入膜のヤング率は前記圧電膜のヤング率より小さい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。
- 前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とす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。
- 前記共振領域において、前記基板と前記下部電極または前記下部電極に接する絶縁膜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。
- 前記共振領域において、前記下部電極の前記圧電膜とは反対側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。
- 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。
- 送信フィルタと受信フィルタとを具備し、
前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方が請求項９記載のフィルタであることを特徴とするデュプレクサ。 - 基板上に、下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に下部圧電膜を形成する工程と、
前記下部圧電膜上に、共振領域内の外周領域に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜を形成する工程と、
前記下部圧電膜の上面および前記挿入膜の上面をラフネスが小さくなるように処理する工程と、
前記下部圧電膜および前記挿入膜上に上部圧電膜を形成することにより、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とで圧電膜を形成する工程と、
前記下部電極と上部電極とが前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した前記共振領域を形成するように、前記圧電膜上に前記上部電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする圧電薄膜共振器の製造方法。 - 前記挿入膜を形成する工程の前に、前記下部圧電膜の上面のラフネスを大きくする処理を行なう工程を含むことを特徴とする請求項１１記載の圧電薄膜共振器の製造方法。
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