JP2017139707A - 圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサ - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電薄膜共振器の特性を向上させ、かつスプリアスを抑制すること。【解決手段】基板１０と、前記基板上に設けられた下部電極１２と、上面に内側の膜厚が外側の膜厚より大きくなるような段差２５を有し、前記下部電極上に設けられた圧電膜１４と、前記圧電膜を挟み前記下部電極と上部電極とが対向する共振領域５０であって平面視において前記段差を含む共振領域が設けられるように、前記圧電膜上に設けられた上部電極１６と、前記圧電膜内、前記圧電膜と前記下部電極との間、または前記圧電膜と前記上部電極との間において、前記共振領域内の外周領域の少なくとも一部に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜２８と、を具備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、フィルタおよびデュプレクサに関し、圧電膜の上面に設けられた段差と挿入膜を有する圧電薄膜共振器、フィルタおよび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。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。
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。
特許文献１には、上部電極および下部電極の一方の表面に環帯を備えることが記載されている。特許文献２には、圧電膜内にブリッジと呼ばれる環帯を備えることが記載されている。特許文献３には、上部電極の上面に環状の凹みを備えることが記載されている。
特許文献１および２の圧電薄膜共振器では、共振領域からの弾性波エネルギーの漏洩を抑制し、Ｑ値を向上させることができる。特許文献２の圧電薄膜共振器では、スプリアスを抑制することができる。しかしながら、圧電薄膜共振器の特性を向上させること、かつスプリアスを抑制することは十分ではない。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電薄膜共振器の特性を向上させ、かつ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下部電極と、上面に内側の膜厚が外側の膜厚より大きくなるような段差を有し、前記下部電極上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜を挟み前記下部電極と上部電極とが対向する共振領域であって平面視において前記段差を含む共振領域が設けられるように、前記圧電膜上に設けられた上部電極と、前記圧電膜内、前記圧電膜と前記下部電極との間、または前記圧電膜と前記上部電極との間において、前記共振領域内の外周領域の少なくとも一部に設けられ、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、を具備する圧電薄膜共振器である。
上記構成において、前記段差の側面は、傾斜している構成とすることができる。
上記構成において、前記挿入膜は、平面視において前記段差の内側に重ならない構成とすることができる。
上記構成において、前記挿入膜は、平面視において前記段差および前記段差の内側に重ならない構成とすることができる。
上記構成において、前記上部電極は、前記段差の側面に接している構成とすることができる。
上記構成において、前記外周領域における前記圧電膜は下部圧電膜と上部圧電膜を含み、前記挿入膜は、前記下部圧電膜と上部圧電膜との間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、前記挿入膜は、前記圧電膜と前記上部電極との間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、前記挿入膜は、前記段差の側面に接し、前記上部電極は前記段差の側面の側方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、前記挿入膜の音響インピーダンスは前記圧電膜より小さい構成とすることができる。
上記構成において、前記共振領域内の前記下部電極下に空気層が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、前記共振領域内の前記下部電極下に、前記圧電膜内を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜が設けられてい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フィルタである。
本発明は、上記フィルタを含むデュプレクサである。
本発明によれば、圧電薄膜共振器の特性を向上させ、かつスプリアスを抑制することができる。
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、挿入膜および空隙の平面図、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を、図１（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器を示している。
図２（ａ）は、実施例１における共振領域付近の平面図、図２（ｂ）および図２（ｂ）は、実施例１における共振領域付近のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）では、段差領域６０、薄膜領域６２および厚膜領域６４を示している。図２（ｂ）および図２（ｃ）は、例えばそれぞれ直列共振器および並列共振器を示している。空隙３０はドーム状であるが、図２（ｂ）および図２（ｃ）では、空隙３０の上面を簡略化して平面で図示している。以降の図も同様である。
図１（ａ）から図１（ｃ）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。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、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂを備えている。圧電膜１４の上面に凸部５８が形成されている。薄膜領域６２内の上部圧電膜１４ｂの膜厚は、厚膜領域６４内の上部圧電膜１４ｂの膜厚より小さい。段差領域６０において、上部圧電膜１４ｂの上面に傾斜した段差２５が形成されている。下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８が設けられている。
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、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（ｂ）のように、挿入膜２８には、孔部３５に対応する孔部３４が設けられている。
図１（ｄ）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、Ｔｉ（チタン）層からなる質量負荷膜２０が設けられている。よって、積層膜１８は直列共振器Ｓの積層膜に加え、中央領域５４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）および図２（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を膜厚が１００ｎｍのＣｒ膜、上層１２ｂを膜厚が２００ｎｍのＲｕ膜とする。圧電膜１４をＡｌＮ膜とする。圧電膜１４の膜厚は、厚膜領域６４で１１００ｎｍ、薄膜領域６２で６００ｎｍである。挿入膜２８を膜厚が１２５ｎｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜とする。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向の中心に設けられている。上部電極１６の下層１６ａを膜厚が２３０ｎｍのＲｕ膜、上層１６ｂを膜厚が５０ｎｍのＣｒ膜とする。周波数調整膜２４を膜厚が５０ｎｍの酸化シリコン膜とする。質量負荷膜２０を膜厚が１２０ｎｍのＴｉ膜とする。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。
特許文献２に記載されているように、挿入膜２８のヤング率は圧電膜１４より小さいことが好ましい。密度がほぼ同じであれば、ヤング率は音響インピーダンスと相関することから、挿入膜２８の音響インピーダンスは圧電膜１４より小さいことが好ましい。これにより、Ｑ値を向上できる。また、挿入膜２８を金属膜とすることにより実効的電気機械結合係数を向上できる。さらに、挿入膜２８の音響インピーダンスを圧電膜１４より小さくするため、圧電膜１４が窒化アルミニウムを主成分とする場合、挿入膜２８は、Ａｌ膜、Ａｕ（金）膜、Ｃｕ（銅）膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ（白金）膜、Ｔａ（タンタル）膜、Ｃｒ膜または酸化シリコン膜であることが好ましい。特に、ヤング率の観点から挿入膜２８は、Ａｌ膜または酸化シリコン膜であることが好ましい。
図２（ａ）から図２（ｃ）に示すように、共振領域５０内の外周近傍に薄膜領域６２が設けられ。共振領域５０の中央付近に厚膜領域６４が設けられている。厚膜領域６４は挿入膜２８が形成されていない中央領域５４と一致している。厚膜領域６４と中央領域５４とは一致していなくてもよい。薄膜領域６２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。共振領域５０以外の領域も薄膜領域６２である。薄膜領域６２は、例えば帯状およびリング状である。段差領域６０は、薄膜領域６２と厚膜領域６４との間の領域である。
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、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ、Ｐｔ、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、上層１６ｂをＭｏ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）、２価の元素と４価の元素との２つの元素、または２価と５価との２つの元素を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上する。このため、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。２価の元素は、例えばＣａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）またはＺｎ（亜鉛）である。４価の元素は、例えばＴｉ、Ｚｒ（ジルコニウム）またはＨｆ（ハフニウム）である。５価の元素は、例えばＴａ、Ｎｂ（ニオブ）またはＶ（バナジウム）である。さらに、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、Ｂ（ボロン）を含んでもよい。
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（下層１６ａと上層１６ｂとの間）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３（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１の直列共振器の製造方法を示す断面図である。図３（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（酸化マグネシウム）、ＺｎＯ、Ｇｅ（ゲルマニウム）またはＳｉＯ２（酸化シリコン）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３（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。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。その後、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。
図３（ｃ）に示すように、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。下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂから圧電膜１４が形成される。
図４（ａ）に示すように、薄膜領域６２に相当する領域の上部圧電膜１４ｂ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エッチングすることで薄膜化する。エンチングされない領域は厚膜領域６４となる。段差領域６０となる領域に段差２５が形成される。これにより凸部５８が形成される。
図４（ｂ）に示すように、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。段差２５が傾斜しているため、上部電極１６が段差２５により断線することを抑制できる。
なお、図１（ｄ）および図２（ｃ）に示す並列共振器においては、上部電極１６の下層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、上部電極１６の上層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４（ｃ）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（図１（ｃ）、図１（ｄ）参照）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）および図１（ｄ）に示した並列共振器Ｐが作製される。
実施例１においては、圧電膜１４は、上面の共振領域５０内に段差２５を有する。段差２５の外側かつ共振領域５０内の圧電膜１４の膜厚は段差２５の内側の圧電膜１４の膜厚より小さい。段差２５の側面に上部電極１６が設けられている。このように、挿入膜２８に加え、共振領域５０内に段差を有する。挿入膜２８により、圧電薄膜共振器の特性を向上させることができる。さらに、挿入膜２８と段差２５との相乗効果により、スプリアスを抑制することができる。
図５（ａ）から図６（ｂ）は、実施例１の変形例１から５における共振領域付近の断面図である。図５（ａ）に示すように、薄膜領域６２および段差領域６０において、挿入膜２８は圧電膜１４と上部電極１６との間に挿入されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
図５（ｂ）に示すように、薄膜領域６２において、挿入膜２８は圧電膜１４と上部電極１６との間に挿入されている。段差領域６０において、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。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
図５（ｃ）に示すように、薄膜領域６２において、挿入膜２８は圧電膜１４と上部電極１６との間に挿入されている。段差領域６０には、挿入膜２８は形成されていない。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
図６（ａ）に示すように、下部圧電膜１４ａの上面に段差が形成されている。段差領域６０において、挿入膜２８は段差２５の側面に沿って形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
図６（ｂ）に示すように、段差領域６０において、挿入膜２８は形成されていない。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
実施例１の変形例６および７は、空隙の構成を変えた例である。図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１の変形例６および７における共振領域近傍の断面図である。図７（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７（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）である。膜３０ａと膜３０ｂの積層数は任意に設定できる。例えば、音響反射膜３１は、基板１０中に音響インピーダンスの異なる膜が一層設けられている構成でもよい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
実施例１およびその変形例１から５において、実施例１の変形例６と同様に空隙３０を形成してもよく、実施例１の変形例７と同様に空隙３０の代わりに音響反射膜３１を形成してもよい。
実施例１およびその変形例１から６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１の変形例７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およびその変形例において、挿入膜２８は、圧電膜１４と下部電極１２との間に挿入されていてもよい。空隙３０または音響反射膜３１は、厚膜領域６４または中央領域５４より大きくかつ厚膜領域６４または中央領域５４を含むように形成されていればよい。共振領域５０の中心を囲む段差２５の少なくとも一部が共振領域５０内に設けられていればよい。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１およびその変形例において、挿入膜２８と段差２５が共振特性およびスプリアスに及ぼす影響について、２次元の有限要素法を用いシミュレーションした。シミュレーションは、共振領域５０の中心を鏡面条件として行なった。
シミュレーションに用いた各材料および膜厚は以下である。
下部電極１２の下層１２ａ：膜厚が１００ｎｍのＣｒ膜
下部電極１２の上層１２ｂ：膜厚が２００ｎｍのＲｕ膜
圧電膜１４：膜厚Ｔ０が１２６０ｎｍのＡｌＮ膜
下部圧電膜１４ａ：膜厚が６３０ｎｍのＡｌＮ膜
挿入膜２８：膜厚が１２５ｎｍの酸化シリコン膜
上部電極１６：膜厚が２３０ｎｍのＲｕ膜
段差２５の端面の角度θ：７０°
共振領域５０の幅Ｗ０：４２μｍ
幅Ｗ２：２μｍ
シミュレーションに用いた各材料および膜厚は以下である。
下部電極１２の下層１２ａ：膜厚が１００ｎｍのＣｒ膜
下部電極１２の上層１２ｂ：膜厚が２００ｎｍのＲｕ膜
圧電膜１４：膜厚Ｔ０が１２６０ｎｍのＡｌＮ膜
下部圧電膜１４ａ：膜厚が６３０ｎｍのＡｌＮ膜
挿入膜２８：膜厚が１２５ｎｍの酸化シリコン膜
上部電極１６：膜厚が２３０ｎｍのＲｕ膜
段差２５の端面の角度θ：７０°
共振領域５０の幅Ｗ０：４２μｍ
幅Ｗ２：２μｍ
シミュレーションは、比較例のサンプルとしてサンプルＡからＦ、実施例のサンプルとしてサンプルＧからＪについて行なった。サンプルＡからＣは挿入膜２８が設けられていない例であり、サンプルＤからＪは挿入膜２８が設けられている例である。
図８（ａ）から図８（ｃ）は、比較例のサンプルＡからＣの断面図である。図８（ａ）に示すように、サンプルＡでは、圧電膜１４の上面に段差２５は形成されていない。挿入膜２８は設けられていない。圧電膜１４の膜厚はＴ０およびＴ１で一定である。図の右端が共振領域５０の中心であり、共振領域５０の幅はＷ０である。共振領域５０の右端が共振領域５０の中心線に相当する。このため、実際の共振領域５０の幅はＷ０×２に相当する。以下のサンプルも同様である。
図８（ｂ）に示すように、サンプルＢでは、圧電膜１４の上面に段差２５が形成されている。挿入膜２８は設けられていない。薄膜領域６２と段差領域６０の合計の幅はＷ２＝２μｍである。段差２５の側面と圧電膜１４の上面のなす角度はθ＝７０°である。薄膜領域６２における圧電膜１４の膜厚はＴ１で一定である。
図８（ｃ）に示すように、サンプルＣでは、サンプルＢにおける薄膜領域６２と段差領域６０に相当する領域に上部電極１６が形成されていない。このため、共振領域５０は厚膜領域６４と同じになる。その他の構成はサンプルＢと同じであり、説明を省略する。
図９（ａ）から図９（ｃ）は、比較例のサンプルＤからＦの断面図である。図９（ａ）に示すように、サンプルＤは、サンプルＡの圧電膜１４の挿入膜２８が挿入された構成である。共振領域５０の外周領域５２内の圧電膜１４内に挿入膜２８が設けられている。挿入膜２８の挿入幅（外周領域５２の幅）はＷ１である。外周領域５２における圧電膜１４の膜厚Ｔ１は、下部圧電膜１４ａの膜厚Ｔ３＋上部圧電膜１４ｂの膜厚Ｔ２である。外周領域５２と中央領域５４との間の圧電膜１４の上面には、挿入膜２８の膜厚に相当する段差が形成されている。このため、Ｔ１＝Ｔ０となる。その他の構成はサンプルＡと同じであり説明を省略する。
図９（ｂ）に示すように、サンプルＥは、サンプルＣの圧電膜１４に挿入膜２８が挿入された構成である。挿入膜２８は、サンプルＣにおける薄膜領域６２と段差領域６０に相当する領域に設けられているが、厚膜領域６４に設けられていない。よって、共振領域５０には挿入膜２８は設けられていない。薄膜領域６２に相当する領域の圧電膜１４の膜厚Ｔ１は、下部圧電膜１４ａの膜厚Ｔ３＋上部圧電膜１４ｂの膜厚Ｔ２である。その他の構成はサンプルＣと同じであり説明を省略する。
図９（ｃ）に示すように、サンプルＦでは、外周領域５２における上部圧電膜１４ｂの膜厚が挿入膜２８の膜厚分薄いため、圧電膜１４の上面が平坦である。このため、薄膜領域６２における圧電膜１４の膜厚Ｔ１はＴ０より挿入膜２８の膜厚分小さい。その他の構成はサンプルＤと同じであり、説明を省略する。
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例１のサンプルＧおよびＨの断面図である。図１０（ａ）に示すように、サンプルＧでは、圧電膜１４の上面に段差２５が設けられている。薄膜領域６２の上面および段差領域６０の圧電膜１４の側面に接し挿入膜２８が設けられている。よって、挿入幅Ｗ１は、薄膜領域６２と段差領域６０の幅の合計である。厚膜領域６４には挿入膜２８は設けられていない。段差２５の側面と薄膜領域６２の上面とのなす角はθ＝７０°である。
図１０（ｂ）に示すように、サンプルＨでは、挿入膜２８は段差領域６０には設けられていない。よって、挿入幅Ｗ１は薄膜領域６２の幅である。その他の構成はサンプルＧと同じであり、説明を省略する。
図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、実施例１のサンプルＩおよびＪの断面図である。図１１（ａ）に示すように、サンプルＩでは、圧電膜１４に挿入膜２８が挿入されている。段差領域６０における挿入膜２８は傾斜していない。薄膜領域６２における圧電膜１４の膜厚Ｔ１は、下部圧電膜１４ａの膜厚Ｔ３＋上部圧電膜１４ｂの膜厚Ｔ２である。その他の構成はサンプルＧと同じであり説明を省略する。
図１１（ｂ）に示すように、サンプルＪでは、挿入膜２８は段差領域６０には設けられていない。よって、挿入幅Ｗ１は薄膜領域６２の幅である。その他の構成はサンプルＩと同じであり、説明を省略する。
図１２は、スプリアスの大きさの定義を示す図である。図１２に示すように、各サンプルについて圧電薄膜共振器の通過特性をシミュレーションした。スプリアスの大きさは、共振周波数より低い周波数において最もスプリアスの大きな箇所の減衰量と定義する。
図１３は、各サンプルの圧電膜の膜厚Ｔ１、挿入幅Ｗ１、スプリアスの大きさおよび反共振周波数のＱ値を示す図である。図１３に示すように、サンプルＡでは、Ｑ値は７００程度、スプリアスは−１程度である。サンプルＢのように、共振領域５０内に段差２５を形成してもＱ値は変化しない。スプリアスは若干減少する。サンプルＣのように、共振領域５０外に段差２５を形成すると、Ｑ値は増加する。スプリアスは変わらない。
サンプルＤおよびＦのように外周領域５２に挿入膜２８を設けると、サンプルＡに比べＱ値は２倍以上と飛躍的に向上する。しかし、スプリアスはサンプルＡより劣化する。サンプルＥのように段差２５を共振領域５０外に設けると、Ｑ値はサンプルＡよりは高くなるがサンプルＣと同程度である。スプリアスはサンプルＤおよびＦと同程度である。
サンプルＧからＪのように、共振領域５０内に挿入膜２８を設け、かつ段差２５を設けると、ほとんどのサンプルでＱ値はサンプルＡの３倍以上となる。また、サンプルＧからＪのほとんどのサンプルで段差２５を有さず挿入膜２８を設けたサンプルＤおよびＦよりＱ値が向上する。サンプルＧからＪのほとんどのサンプルでスプリアスはサンプルＡのおおよそ半分以下となる。サンプルＧからＪのほとんどのサンプルで共振領域５０内に段差２５を有し挿入膜２８が設けられていないサンプルＢよりスプリアスが抑制される。このように、サンプルＧからＪは、サンプルＢとサンプルＤおよびＦとから予想される以上にＱ値が向上しかつスプリアスが抑制される。
比較例に係るサンプルＡからＦでは、Ｑ値とスプリアスはトレードオフの関係にあり、実施例に係るサンプルＧからＪでもＱ値とスプリアスはトレードオフの関係にある。しかし、サンプルＧからＪでは、サンプルＡからＦと同程度のＱ値であればスプリアスを大幅に改善できる。また、サンプルＧからＪでは、サンプルＡからＦと同程度のスプリアスであれば、Ｑ値を大幅に向上できる。また、サンプルＧからＪにおいて、サンプルＡに対しＱ値を約３倍かつスプリアスを半分以下とすることもできる。
このようにサンプルＧからＩでＱ値が向上しかつスプリアスを抑制できる理由は明確ではないが、共振領域５０から横方向にもれる弾性波が挿入膜２８および段差２５で反射されるため、共振領域５０から弾性波エネルギーが漏洩せず、Ｑ値が向上するものと考えられる。また、挿入膜２８および段差２５の側面で横方向に伝搬する弾性波が反射されるため、スプリアスが抑制されるものと考えられる。
実施例１およびその変形例によれば、圧電膜１４は上面に内側の膜厚Ｔ０が外側の膜厚Ｔ１より大きくなるような段差２５を有する。共振領域５０は、平面視において段差２５を含む。共振領域５０内の外周領域５２の少なくとも一部に設けられ、共振領域５０の中央領域５４には設けられていない挿入膜２８が設けられている。これにより、Ｑ値を向上させ、かつスプリアスを抑制できる。
また、サンプルＧからＪのように、段差２５の側面は傾斜している。これにより、横方向に伝搬する弾性波が斜め方向に反射される。よって共振領域５０内に横方向に伝搬する弾性波の定在波が存在しにくくなると考えられる。これにより、スプリアスがより抑制される。
挿入膜２８は厚膜領域６４と重なっていてもよい。サンプルＧからＪのように、挿入膜２８は、平面視において厚膜領域６４（段差２５の内側）に重ならないことが好ましい。これにより、横方向に伝搬する弾性波が挿入膜２８の端部と同時または先に段差２５の側面で反射される。よって、Ｑ値がより向上し、スプリアスがより抑制される。
さらに、挿入膜２８は、平面視において段差領域６０（段差２５）および厚膜領域６４に重ならないことが好ましい。これにより、横方向に伝搬する弾性波が挿入膜２８の端部より先に段差２５の側面で反射される。よって、Ｑ値がより向上し、スプリアスがより抑制される。
サンプルＨからＪのように、上部電極１６は、段差２５の側面に接している。これにより、サンプルＧと比較し同程度のスプリアスであればＱ値を向上できる。これは、上部電極１６が段差２５の側面に接していることで、横方向に伝搬する弾性波をより反射できるためと考えられる。
サンプルＩおよびＪのように、挿入膜２８は、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に設けられている。これにより、サンプルＧおよびＨと比較し同程度のスプリアスであればＱ値を向上できる。
サンプルＧおよびＨのように、挿入膜２８は、圧電膜１４と上部電極１６との間に設けられていてもよい。挿入膜２８は、圧電膜１４と下部電極１２との間に設けられていてもよい。
サンプルＧのように、挿入膜２８は、段差２５の側面に接し、上部電極１６は段差２５の側面の側方に設けられていることが好ましい。例えば、図１０（ａ）のように、段差２５の水平方向に挿入膜２８を介し上部電極１６が設けられている。これにより、スプリアスを抑制しかつＱ値を向上できる。
実施例２は、実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いたファルタおよびデュプレクサの例である。図１４（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図であり、図１４（ｂ）は、実施例２の変形例に係るデュプレクサの回路図である。図１４（ａ）に示すように、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２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。入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に、１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４が並列に接続されている。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４および１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４の少なくとも１に実施例１から２およびその変形例の弾性波共振器を用いることができる。ラダー型フィルタの共振器の個数等は適宜設定できる。実施例１およびその変形例の弾性波共振器を含むフィルタは、ラダー型フィルタ以外に多重モードフィルタとすることもできる。
図１４（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４４が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４６が接続されている。送信フィルタ４４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４６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。送信フィルタ４４および受信フィルタ４６の少なくとも一方を実施例２のフィルタとすることができる。
フィルタが実施例１およびその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、スプリアスに起因するリップルを抑制できる。
また、送信フィルタ４４および受信フィルタ４６の少なくとも一方を実施例１およびその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
１４ａ 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１６ 上部電極
２５ 段差
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
４４ 送信フィルタ
４６ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
６０ 段差領域
６２ 薄膜領域
６４ 厚膜領域
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１４ａ 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１６ 上部電極
２５ 段差
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
４４ 送信フィルタ
４６ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
６０ 段差領域
６２ 薄膜領域
６４ 厚膜領域
Claims (13)
- 基板と、
前記基板上に設けられた下部電極と、
上面に内側の膜厚が外側の膜厚より大きくなるような段差を有し、前記下部電極上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜を挟み前記下部電極と上部電極とが対向する共振領域であって平面視において前記段差を含む共振領域が設けられるように、前記圧電膜上に設けられた上部電極と、
前記圧電膜内、前記圧電膜と前記下部電極との間、または前記圧電膜と前記上部電極との間において、前記共振領域内の外周領域の少なくとも一部に設けられ、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、
を具備する圧電薄膜共振器。 - 前記段差の側面は、傾斜している請求項１記載の圧電薄膜共振器。
- 前記挿入膜は、平面視において前記段差の内側に重ならない請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
- 前記挿入膜は、平面視において前記段差および前記段差の内側に重ならない請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 前記上部電極は、前記段差の側面に接している請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 前記外周領域における前記圧電膜は下部圧電膜と上部圧電膜を含み、
前記挿入膜は、前記下部圧電膜と上部圧電膜との間に設けられている請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。 - 前記挿入膜は、前記圧電膜と前記上部電極との間に設けられている請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 前記挿入膜は、前記段差の側面に接し、前記上部電極は前記段差の側面の側方に設けられている請求項７記載の圧電薄膜共振器。
- 前記挿入膜の音響インピーダンスは前記圧電膜より小さい請求項１から８のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 前記共振領域内の前記下部電極下に空気層が設けられている請求項１から９のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 前記共振領域内の前記下部電極下に、前記圧電膜内を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜が設けられている請求項１から９のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 請求項１から１１のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
- 請求項１２記載のフィルタを含むデュプレクサ。
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