JP2017225042A - 圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents
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Abstract
【課題】共振器の特性を向上させること。
【解決手段】基板１０と、前記基板上に設けられた圧電膜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１２および上部電極１６と、各々、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ、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おらず、互いに内輪郭の位置が異なる複数の挿入層２８、２９と、を具備する圧電薄膜共振器。
【選択図】図１
【解決手段】基板１０と、前記基板上に設けられた圧電膜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１２および上部電極１６と、各々、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ、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おらず、互いに内輪郭の位置が異なる複数の挿入層２８、２９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、フィルタおよびマルチプレクサに関し、圧電膜に挿入された挿入層を有する圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関する。
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マルチ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、共振領域の外周領域に圧電膜に挿入された挿入層を設けることが記載されている。特許文献３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１から３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。しかしながら、共振領域からの弾性波エネルギーの漏洩を十分に抑圧することは難しく、Ｑ値の向上が不十分である。さらに、挿入層を設けることにより、電気機械結合係数が低下してしまうことがある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電薄膜共振器の特性を向上させ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、各々、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ、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おらず、互いに内輪郭の位置が異なる複数の挿入層と、を具備する圧電薄膜共振器である。
上記構成において、前記複数の挿入層は音響インピーダンスが異なる構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の挿入層は誘電率が異なる構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の挿入層は同じ材料である構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の挿入層は接している構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の挿入層は前記圧電膜の一部を挟み離間している構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の挿入層の少なくとも１つは、前記圧電膜内に挿入されている構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の挿入層の少なくとも一つは、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挿入されている構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の挿入層の少なくとも１つは空気層であ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マルチプレクサである。
本発明によれば、共振器の特性を向上させることができる。
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、挿入層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、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂを備えている。下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入層２８および２９が設けられている。挿入層２８および２９は積層方向に接している。挿入層２８は絶縁層または導電層等の固体物質が充満する物質層である。挿入層２９は、空気層である。なお、下部電極１２側の挿入層を挿入層２８とし、上部電極１６側の挿入層を挿入層２９とする。
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および下部電極１２は、少なくとも一部が空隙３０の上に設けられ、積層方向に対向する。
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（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、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、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を膜厚が１２００ｎｍのＡｌＮ膜とする。挿入層２８を膜厚が１５０ｎｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜とする。挿入層２９を膜厚が１５０ｎｍの空気層とする。挿入層２８および２９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、挿入層２８は、共振領域５０内の外周領域５２ａに設けられ中央領域５４ａに設けられていない。挿入層２９は、共振領域５０内の外周領域５２ｂに設けられ中央領域５４ｂに設けられていない。外周領域５２ａおよび５２ｂ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５２ａおよび５２ｂは、例えば帯状およびリング状である。中央領域５４ａおよび５４ｂ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。挿入層２８の内輪郭６２と挿入層２９の内輪郭６９の位置は異なる。
特許文献２に記載されているように、挿入層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、挿入層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。さらに、挿入層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、挿入層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層２８は、Ａｌ膜または酸化シリコン膜であることが好ましい。
挿入層２８および２９は、いずれも空気層でもよく、一方が空気層でもよい。挿入層２８および２９は、いずれも物質層でもよく、一方が物質層でもよい。
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族の元素と４族の元素との２つの元素、または２族と５族との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族の元素は、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族の元素は、例えばＴｉ、Ｚｒ（ジルコニウム）またはＨｆ（ハフニウム）である。５族の元素は、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２は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の共振領域付近の平面図である。図２は、共振領域、挿入層、空隙および圧電膜の位置関係を示す。図３（ａ）および図３（ｂ）は、図２のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図３（ｂ）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３（ａ）および図３（ｂ）において空隙３０はドーム状であるが、空隙３０の上面を簡略化して平面で図示している。また、図３（ａ）および図３（ｂ）では、わかり易くするため長さの比率が必ずしも図２と同じではない。以降の図も同様である。
図１（ａ）から図３（ｂ）において、共振領域５０の外側の輪郭である外輪郭６０、挿入層２８の内側の輪郭である内輪郭６２、挿入層２９の内輪郭６９、空隙３０の外輪郭６４、上部圧電膜１４ｂの端面６６および下部圧電膜１４ａの端面６８（図３（ａ）および図３（ｂ）では図示を省略）を図示している。共振領域５０を囲む領域のうち、上部電極１６を共振領域５０から引き出す引き出し領域７０と、共振領域５０を囲む領域のうち引き出し領域７０以外の領域７２を図示している。
なお、各膜において、端面が膜厚方向に傾斜または湾曲している場合、外輪郭は傾斜または湾曲した端面のうち最も外側であり、内輪郭は傾斜または湾曲した端面のうち最も内側である。端面と輪郭が略一致するとは、傾斜または湾曲した端面の少なくとも一部が輪郭と略一致していればよい。端面が輪郭の外側（または内側）に位置するとは、傾斜または湾曲した端面の少なくとも一部が輪郭の外側（または内側）に位置していればよい。また、略一致するとは、例えば製造工程におけるばらつき、製造工程における合わせ精度程度に一致するとのことである。
引き出し領域７０においては、下部電極１２の外輪郭が共振領域５０の外輪郭６０となる。領域７２においては、上部電極１６の外輪郭が共振領域５０の外輪郭６０となる。引き出し領域７０において、共振領域５０の外輪郭６０と空隙３０の外輪郭６４は略一致している。領域７２において、空隙３０の外輪郭６４は共振領域５０の外輪郭６０より外側に位置している。挿入層２９の内輪郭６９は共振領域５０の外輪郭６０の内側に位置している。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。
図４（ａ）から図５（ｂ）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４（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４（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上に挿入層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、挿入層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。挿入層２８は、リフトオフ法により形成してもよい。挿入層２８上に犠牲層３９を形成する。犠牲層３９の材料および形成方法は犠牲層３８と同じであり説明を省略する。
図４（ｃ）に示すように、上部圧電膜１４ｂ、上部電極１６の下層１６ａおよび上層１６ｂ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。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、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５（ａ）に示すように、圧電膜１４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。エッチング技術として、ウェットエッチング法を用いてもよいし、ドライエッチング法を用いてもよい。下部圧電膜１４ａをエッチングするマスクの少なくとも一部に挿入層２８および２９を用いてもよい。挿入層２８および２９をマスクとして下部圧電膜１４ａをエッチングすることにより、下部圧電膜１４ａと挿入層２８の輪郭を略一致できる。
図５（ｂ）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。このとき、犠牲層３９もエッチング液にさらされる。これにより、犠牲層３８および３９が除去される。犠牲層３８および３９をエッチングする媒体としては、犠牲層３８および３９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。犠牲層３９が除去され、空気層である挿入層２９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、挿入層２８および２９の内輪郭６２および６９の位置が異なる。これにより、共振領域５０から漏れる弾性波が内輪郭６２と６９との２箇所で反射または減衰させる。このため、弾性波エネルギーの損失が小さくＱ値が向上する。
（実施例１の変形例１）
図６（ａ）から図６（ｃ）は、実施例１の変形例１から３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図６（ａ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。挿入層２８および２９の端面は傾斜している。また、上部圧電膜１４ｂは空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びていてもよい。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の変形例１のように、挿入層２８および２９の少なくとも一方の端面が傾斜（つまりテーパ状である）していてもよい。これにより、上部圧電膜１４ｂのクラック等を抑制できる。挿入層２８および２９の端面と下部圧電膜１４ａの上面とのなす角θは３０°以下が好ましい。
図６（ａ）から図６（ｃ）は、実施例１の変形例１から３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図６（ａ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。挿入層２８および２９の端面は傾斜している。また、上部圧電膜１４ｂは空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びていてもよい。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の変形例１のように、挿入層２８および２９の少なくとも一方の端面が傾斜（つまりテーパ状である）していてもよい。これにより、上部圧電膜１４ｂのクラック等を抑制できる。挿入層２８および２９の端面と下部圧電膜１４ａの上面とのなす角θは３０°以下が好ましい。
（実施例１の変形例２）
図６（ｂ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２８は挿入層２９の内側に位置し、挿入層２８と２９は平面方向に接している。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例２のように、挿入層２８と２９は平面方向において接していてもよい。内側の挿入層２８が空気層であり、外側の挿入層２９が物質層でもよい。
図６（ｂ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２８は挿入層２９の内側に位置し、挿入層２８と２９は平面方向に接している。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例２のように、挿入層２８と２９は平面方向において接していてもよい。内側の挿入層２８が空気層であり、外側の挿入層２９が物質層でもよい。
（実施例１の変形例３）
図６（ｃ）に示すように、挿入層２８は空気層であり、挿入層２９は物質層である。挿入層２９の内輪郭６９が挿入層２８の内輪郭６２の内側に位置する。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例３のように、下側の挿入層２８が空気層で上側の挿入層２９が物質層でもよい。
図６（ｃ）に示すように、挿入層２８は空気層であり、挿入層２９は物質層である。挿入層２９の内輪郭６９が挿入層２８の内輪郭６２の内側に位置する。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例３のように、下側の挿入層２８が空気層で上側の挿入層２９が物質層でもよい。
（実施例１の変形例４）
図７（ａ）は、実施例１の変形例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図７（ａ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２９の内輪郭６９は挿入層２８の内輪郭６２の内側に位置している。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例３および４のように、上側の挿入層２９の内輪郭６９が上側の挿入層２８の内輪郭６２の内側に位置していてもよい。
図７（ａ）は、実施例１の変形例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図７（ａ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２９の内輪郭６９は挿入層２８の内輪郭６２の内側に位置している。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例３および４のように、上側の挿入層２９の内輪郭６９が上側の挿入層２８の内輪郭６２の内側に位置していてもよい。
（実施例１の変形例５）
図７（ｂ）および図７（ｃ）は、実施例１の変形例５に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図７（ｂ）に示すように、挿入層２８および２９はともに物質層である。図７（ｃ）に示すように、挿入層２８および２９はともに空気層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例５のように、挿入層２８および２９は同じ材料の物質層でもよいし空気層でもよい。挿入層２８および２９が共に物質層のとき、挿入層２８と２９は異なる材料層でもよい。
図７（ｂ）および図７（ｃ）は、実施例１の変形例５に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図７（ｂ）に示すように、挿入層２８および２９はともに物質層である。図７（ｃ）に示すように、挿入層２８および２９はともに空気層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例５のように、挿入層２８および２９は同じ材料の物質層でもよいし空気層でもよい。挿入層２８および２９が共に物質層のとき、挿入層２８と２９は異なる材料層でもよい。
（実施例１の変形例６）
図８（ａ）から図９（ａ）は、実施例１の変形例６に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図８（ａ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。挿入層２８と２９との間に中間圧電膜１４ｃが設けられている。圧電膜１４は、下部圧電膜１４ａ、中間圧電膜１４ｃおよび上部圧電膜１４ｂを有する。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。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８（ａ）から図９（ａ）は、実施例１の変形例６に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図８（ａ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。挿入層２８と２９との間に中間圧電膜１４ｃが設けられている。圧電膜１４は、下部圧電膜１４ａ、中間圧電膜１４ｃおよび上部圧電膜１４ｂを有する。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。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８（ｂ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２９の内輪郭６９は挿入層２８の内輪郭６２の内側に位置している。挿入層２８と２９との間に中間圧電膜１４ｃが設けられている。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。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８（ｃ）に示すように、挿入層２８は空気層であり、挿入層２９は物質層である。挿入層２９の内輪郭６９は挿入層２８の内輪郭６２の内側に位置している。挿入層２８と２９との間に中間圧電膜１４ｃが設けられている。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。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９（ａ）に示すように、挿入層２８は空気層であり、挿入層２９は物質層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。挿入層２８と２９との間に中間圧電膜１４ｃが設けられている。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例６のように、挿入層２８と２９は中間圧電膜１４ｃを介し離間していてもよい。
（実施例１の変形例７）
図９（ｂ）および図９（ｃ）は、実施例１の変形例７に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図９（ｂ）に示すように、挿入層２８および２９は物質層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。挿入層２８と２９との間に中間圧電膜１４ｃが設けられている。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。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９（ｂ）および図９（ｃ）は、実施例１の変形例７に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図９（ｂ）に示すように、挿入層２８および２９は物質層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。挿入層２８と２９との間に中間圧電膜１４ｃが設けられている。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。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９（ｃ）に示すように、挿入層２８および２９は物質層である。挿入層２９の内輪郭６９は挿入層２８の内輪郭６２の内側に位置している。挿入層２８と２９との間に中間圧電膜１４ｃが設けられている。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例７のように、挿入層２８および２９はいずれも物質層または空気層のときに、挿入層２８と２９は中間圧電膜１４ｃを介し離間していてもよい。
（実施例１の変形例８）
図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例１の変形例８に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１０（ａ）から図１０（ｃ）に示すように、下部電極１２の引き出し領域において上部圧電膜１４ｂの端面６６は空隙３０の外輪郭６４の内側かつ共振領域５０の外側に位置している。その他の構成は実施例１の変形例１から３と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例８では、共振領域５０から横方向に漏洩する弾性波が挿入層２８の内輪郭６２、挿入層２９の内輪郭６９に加え、上部圧電膜１４ｂの端面６６で反射または減衰される。このため、弾性波エネルギーの損失が小さくＱ値がより向上する。
図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例１の変形例８に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１０（ａ）から図１０（ｃ）に示すように、下部電極１２の引き出し領域において上部圧電膜１４ｂの端面６６は空隙３０の外輪郭６４の内側かつ共振領域５０の外側に位置している。その他の構成は実施例１の変形例１から３と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例８では、共振領域５０から横方向に漏洩する弾性波が挿入層２８の内輪郭６２、挿入層２９の内輪郭６９に加え、上部圧電膜１４ｂの端面６６で反射または減衰される。このため、弾性波エネルギーの損失が小さくＱ値がより向上する。
（実施例１の変形例９）
図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、実施例１の変形例９に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１１（ａ）から図１１（ｃ）に示すように、上部電極１６の引き出し領域において上部圧電膜１４ｂの端面６６は共振領域５０の外輪郭６０に略一致し、かつ空隙３０の外輪郭６４の内側に位置している。上部電極１６は配線２２に接続されている。その他の構成は実施例１の変形例８と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例９では、上部電極１６の引き出し領域においても、共振領域５０から横方向に漏洩する弾性波が挿入層２８の内輪郭６２、挿入層２９の内輪郭６９に加え、上部圧電膜１４ｂの端面６６で反射または減衰される。このため、弾性波エネルギーの損失が小さくＱ値がより向上する。
図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、実施例１の変形例９に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１１（ａ）から図１１（ｃ）に示すように、上部電極１６の引き出し領域において上部圧電膜１４ｂの端面６６は共振領域５０の外輪郭６０に略一致し、かつ空隙３０の外輪郭６４の内側に位置している。上部電極１６は配線２２に接続されている。その他の構成は実施例１の変形例８と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例９では、上部電極１６の引き出し領域においても、共振領域５０から横方向に漏洩する弾性波が挿入層２８の内輪郭６２、挿入層２９の内輪郭６９に加え、上部圧電膜１４ｂの端面６６で反射または減衰される。このため、弾性波エネルギーの損失が小さくＱ値がより向上する。
（実施例１の変形例１０）
図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、実施例１の変形例１０に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１２（ａ）から図１２（ｃ）に示すように、上部電極１６の引き出し領域において挿入層２９が設けられていない。その他の構成は実施例１の変形例８と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例１０のように、挿入層２８および２９の少なくとも一方は、中央領域を囲む外周領域の少なくとも一部に設けられていればよい。
図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、実施例１の変形例１０に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１２（ａ）から図１２（ｃ）に示すように、上部電極１６の引き出し領域において挿入層２９が設けられていない。その他の構成は実施例１の変形例８と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例１０のように、挿入層２８および２９の少なくとも一方は、中央領域を囲む外周領域の少なくとも一部に設けられていればよい。
（実施例１の変形例１１）
図１３（ａ）から図１４（ａ）は、実施例１の変形例１１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１３（ａ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。挿入層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。挿入層２９は圧電膜１４と上部電極１６との間に設けられている。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。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１３（ａ）から図１４（ａ）は、実施例１の変形例１１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１３（ａ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。挿入層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。挿入層２９は圧電膜１４と上部電極１６との間に設けられている。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。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１３（ｂ）に示すように、挿入層２８は空気層であり、挿入層２９は物質層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の外側に位置している。挿入層２８は下部電極１２と圧電膜１４との間に設けられている。挿入層２９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。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。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１３（ｃ）に示すように、挿入層２８は空気層であり、挿入層２９は物質層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の内側に位置している。挿入層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。挿入層２９は圧電膜１４と上部電極１６との間に設けられている。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。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１４（ａ）に示すように、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２８の内輪郭６２は挿入層２９の内輪郭６９の外側に位置している。挿入層２８は下部電極１２と圧電膜１４との間に設けられている。挿入層２９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。上部圧電膜１４ｂは、空隙３０の外輪郭６４の外側まで延びている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例１１のように、挿入層２８および２９の少なくとも一方は、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との間に設けられていてもよい。
（実施例１の変形例１２）
図１４（ｂ）から図１５（ｂ）は、実施例１の変形例１２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１４（ｂ）から図１５（ｂ）に示すように、挿入層２８および２９の外輪郭６３が圧電膜１４の端面の内側に位置する。その他の構成は図１３（ａ）、図１３（ｂ）、図８（ｃ）および図９（ｂ）と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例１２のように、挿入層２８および２９の少なくとも一方の外輪郭６３は圧電膜１４の端面の内側に位置してもよい。挿入層２８および２９の少なくとも一方の外輪郭６３は共振領域５０の外輪郭６０と略一致してもよい。
図１４（ｂ）から図１５（ｂ）は、実施例１の変形例１２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１４（ｂ）から図１５（ｂ）に示すように、挿入層２８および２９の外輪郭６３が圧電膜１４の端面の内側に位置する。その他の構成は図１３（ａ）、図１３（ｂ）、図８（ｃ）および図９（ｂ）と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例１２のように、挿入層２８および２９の少なくとも一方の外輪郭６３は圧電膜１４の端面の内側に位置してもよい。挿入層２８および２９の少なくとも一方の外輪郭６３は共振領域５０の外輪郭６０と略一致してもよい。
（実施例１の変形例１３）
図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、実施例１のそれぞれ変形例１３および１４の圧電薄膜共振器の断面図である。図１６（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。挿入層２８および２９の外輪郭６３は、共振領域５０の外輪郭６０に略一致する。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１６（ａ）および図１６（ｂ）は、実施例１のそれぞれ変形例１３および１４の圧電薄膜共振器の断面図である。図１６（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。挿入層２８および２９の外輪郭６３は、共振領域５０の外輪郭６０に略一致する。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。
（実施例１の変形例１４）
図１６（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。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３１の音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。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。挿入層２８および２９の外輪郭６３は、共振領域５０の外輪郭６０に略一致する。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１６（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。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３１の音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。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。挿入層２８および２９の外輪郭６３は、共振領域５０の外輪郭６０に略一致する。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
実施例１およびその変形例１から１２において、実施例１の変形例１３と同様に空隙３０を形成してもよく、実施例１の変形例１４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および変形例１から１３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１４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、引き出し領域７０において、空隙３０または音響反射膜３１の外輪郭６４が共振領域５０の外輪郭６０に略一致する例を説明したが、空隙３０または音響反射膜３１の外輪郭６４が共振領域５０の外輪郭６０の外側に位置してもよい。また、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、挿入層２８および２９の内輪郭６２および６９の位置が共振特性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
下部圧電膜１４ａ：膜厚が６３０ｎｍのＡｌＮ膜
上部圧電膜１４ｂ：膜厚が６３０ｎｍのＡｌＮ膜
挿入層２８：膜厚が１５０ｎｍの酸化シリコン膜または空気層
挿入層２９：膜厚が１５０ｎｍの酸化シリコン膜または空気層
上部電極１６の下層１６ａ：膜厚が２３０ｎｍのＲｕ膜
上部電極１６の上層１６ｂ：なし
共振領域５０の幅Ｗ０（共振領域の中心から外輪郭までの距離）：４２μｍ
共振領域５０と下部圧電膜１４ａとの距離Ｗ３：８μｍ
空隙３０と共振領域５０の距離Ｗ４：１３μｍ
共振領域の中心をミラー条件としてシミュレーションした。
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
下部圧電膜１４ａ：膜厚が６３０ｎｍのＡｌＮ膜
上部圧電膜１４ｂ：膜厚が６３０ｎｍのＡｌＮ膜
挿入層２８：膜厚が１５０ｎｍの酸化シリコン膜または空気層
挿入層２９：膜厚が１５０ｎｍの酸化シリコン膜または空気層
上部電極１６の下層１６ａ：膜厚が２３０ｎｍのＲｕ膜
上部電極１６の上層１６ｂ：なし
共振領域５０の幅Ｗ０（共振領域の中心から外輪郭までの距離）：４２μｍ
共振領域５０と下部圧電膜１４ａとの距離Ｗ３：８μｍ
空隙３０と共振領域５０の距離Ｗ４：１３μｍ
共振領域の中心をミラー条件としてシミュレーションした。
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Ｃ、実施例のサンプルとして、サンプルＤからＦについて行なった。サンプルＡおよびＢは挿入層が１つの例である。サンプルＣは挿入層が２層であり、２つの挿入層の内輪郭の位置が略一致する例である。サンプルＤからＦは、挿入層が２層であり、２つの挿入層の内輪郭の位置が異なる例である。
図１７（ａ）から図１７（ｃ）は、比較例であるサンプルＡからＣの断面図である。図１７（ａ）から図１７（ｃ）に示すように、サンプルＡでは、挿入層２８は物質層であり、酸化シリコン膜である。挿入層２８の挿入幅Ｗ１は２．３μｍである。サンプルＢでは、挿入層２８は空気層である。挿入層２８の挿入幅Ｗ１は２．３μｍである。サンプルＣでは、挿入層２８は物質層であり、挿入層２９は空気層である。挿入層２８と２９が接して設けられている。挿入層２８および２９の挿入幅Ｗ１およびＷ２は２．３μｍである。共振領域の中心をミラー条件４８とした。
図１８（ａ）から図１８（ｃ）は、実施例であるサンプルＤからＦの断面図である。図１８（ａ）に示すように、サンプルＤでは、挿入層２８は物質層であり、酸化シリコン膜である。挿入層２９は空気層である。挿入層２８の挿入幅Ｗ１は２．３μｍであり、挿入層２９の挿入幅Ｗ２は１．６μｍである。図１８（ｂ）に示すように、サンプルＥでは、挿入層２８および２９は空気層である。挿入層２８の挿入幅Ｗ１は２．３μｍであり、挿入層２９の挿入幅Ｗ２は１．１μｍである。図１８（ｃ）に示すように、サンプルＦでは、挿入層２８は物質層であり挿入層２９は空気層である。挿入層２８の挿入幅Ｗ１は０．６μｍであり、挿入層２９の挿入幅Ｗ２は２．３μｍである。なお、サンプルＤからＦの小さい方の挿入幅Ｗ１またはＷ２は、後述するように最も反共振周波数におけるＱ値の大きい挿入幅近傍とした。
図１９は、サンプルＡからＦにおける反共振周波数のＱ値および電気機械結合係数ｋ２を示す図である。図１９に示すように、サンプルＡのように、挿入層２８を物質層とすると、反共振周波数におけるＱ値および電気機械結合係数ｋ２が十分大きくはない。サンプルＢのように、挿入層２８を空気層とすると、ｋ２は大きくなるがＱ値は小さくなる。サンプルＣのように、挿入層２８および２９をそれぞれ物質層および空気層としても挿入層２８および２９の内輪郭６２および６９が略一致していると、Ｑ値およびｋ２はサンプルＢと同程度である。このように、比較例では、Ｑ値とｋ２の両方を向上させることは難しい。
サンプルＤでは、Ｑ値をサンプルＡと同程度で、サンプルＢおよびＣより大きくできる。ｋ２をサンプルＢおよびＣと同程度で、サンプルＡより大きくできる。サンプルＥおよびＦでは、Ｑ値およびｋ２ともサンプルＢおよびＣより大きくできる。
サンプルＤにおいて、挿入層２８の挿入幅Ｗ１を２．３μｍとし、挿入層２９の挿入幅Ｗ２を変化させ、反共振周波数におけるＱ値および電気機械結合係数ｋ２をシミュレーションした。サンプルＥにおいて、挿入層２８の挿入幅Ｗ１を２．３μｍとし、挿入層２９の挿入幅Ｗ２を変化させ、Ｑ値およびｋ２をシミュレーションした。サンプルＦにおいて、挿入層２９の挿入幅Ｗ２を２．３μｍとし、挿入層２８の挿入幅Ｗ１を変化させ、Ｑ値およびｋ２をシミュレーションした。挿入幅Ｗ１およびＷ２のうち大きい方は横方向に伝搬する弾性波の波長の１／４程度とする。これにより、横方向に伝搬する弾性波を反射または減衰することができる。
図２０（ａ）から図２０（ｃ）は、サンプルＤからＦにおける挿入幅に対するＱ値およびｋ２を示す図である。黒丸は反共振周波数におけるＱ値のシミュレーション値であり、実線は近似曲線である。白丸は電気機械結合係数ｋ２のシミュレーション値であり、破線は近似曲線である。
図２０（ａ）において、Ｗ２＝０のときはサンプルＡに相当する。Ｗ２＝２．３μｍのときはサンプルＣに対応する。サンプルＤにおいては、挿入幅Ｗ２が大きくなるとｋ２はサンプルＡから次第に大きくなる。Ｑ値は、挿入幅Ｗ２に依存する。Ｑ値は、いずれの挿入幅Ｗ２においても、サンプルＣより大きい。挿入幅Ｗ２を最適化するとＱ値およびｋ２をともに大きくできる。
図２０（ｂ）において、Ｗ２＝０のときはサンプルＢに相当する。サンプルＥにおいては、挿入幅Ｗ２によらずｋ２がサンプルＢより大きい。Ｑ値が挿入幅Ｗ２に依存するが、ほとんどの挿入幅Ｗ２においてサンプルＢのＱ値より大きい。挿入幅Ｗ２を最適化するとｋ２はサンプルＢおよびＣと同程度でＱ値をサンプルＢより大きくできる。
図２０（ｃ）において、Ｗ１＝０のときはサンプルＢに相当する。Ｗ１＝２．３μｍのときはサンプルＣに対応する。サンプルＦにおいては、挿入幅Ｗ１によらずｋ２がサンプルＢより大きい。Ｑ値が挿入幅Ｗ１に依存するが、いずれの挿入幅Ｗ２においてもＱ値はサンプルＢおよびＣより大きい。挿入幅Ｗ２を最適化するとｋ２はサンプルＢおよびＣと同程度でＱ値をサンプルＢより大きくできる。
サンプルＤからＦのように、複数の挿入層２８および２９の内輪郭６２および６９の位置を互いに異ならせる。これにより、サンプルＡおよびＢのように挿入層が１層の場合、またはサンプルＣのように挿入層が複数層で内輪郭が略一致する場合に比べ、同じｋ２でもＱ値を向上できる。これは、共振領域５０から圧電膜１４内を横方向に伝搬する弾性波が、内輪郭６２および６９の複数個所において反射または減衰するためと考えられる。これにより、弾性波のエネルギーが共振領域５０の外に漏洩することが抑制できる。よって、損失が抑制されＱ値が向上する。複数の挿入層２８および２９の材料および／または挿入幅を調整することで所望のＱ値およびｋ２とすることができる。
複数の挿入層２８および２９は、物質層と空気層のように音響インピーダンスが異なる。これにより、サンプルＤおよびＦのように、挿入層２８および２９が同じ音響インピーダンスであるサンプルＥに比べ、Ｑ値を向上できる。これは以下の理由によると考えられる。サンプルＤの挿入層２９の内輪郭６９およびサンプルＦの挿入層２８の内輪郭６２において、積層膜の音響インピーダンスが大きく変化する。このため、横方向に伝搬する弾性波をより反射または減衰できる。よって、Ｑ値が向上する。複数の挿入層２８および２９の少なくとも２層は、いずれも物質層であり、互いに音響インピーダンスが異なっていてもよい。
サンプルＤとＦとを比較すると、サンプルＤがＱ値が大きい。このように、音響インピーダンスが大きい挿入層２８の内輪郭６２を最も内側とすることが好ましい。
また、複数の挿入層２８および２９は、物質層と空気層のように誘電率が異なる。サンプルＥの図２０（ｂ）のように、例えば空気層のように誘電率が低い挿入層の挿入幅を大きくすると電気機械結合係数ｋ２が大きくなる。これは、挿入層の誘電率が高いと、縦振動の共振に寄与しない静電容量が増えてしまうためである。そこで、複数の挿入層２８および２９の誘電率を異ならせることで、Ｑ値とｋ２を所望の値に調整できる。よりｋ２を向上されるため、複数の挿入層２８および２９の少なくとも１つは空気層であることが好ましい。さらにｋ２を向上させるため、最も内輪郭が内側に位置する挿入層は空気層であることが好ましい。複数の挿入層２８および２９の少なくとも２層は、いずれも物質層であり、互いに比誘電率が異なっていてもよい。
よりＱ値を向上させるためには、サンプルＤのように、最も内輪郭が内側に位置する挿入層は物質層であり、最も内輪郭が外側に位置する挿入層は空気層であることが好ましい。
複数の挿入層２８および２９は同じ材料であってもよい。複数の挿入層２８および２９は接していてもよいし、圧電膜１４の一部を挟み離間していてもよい。複数の挿入層２８および２９の少なくとも１つは、圧電膜１４内に挿入されていてもよいし、圧電膜１４と下部電極１２との間または圧電膜１４と上部電極１６との間に挿入されていてもよい。
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マルチプレクサの例である。図２１（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図２１（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から２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。
実施例２によれば、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値およびｋ２等の特性が向上し、フィルタの特性を向上できる。例えば、共振器のＱ値を向上させることによりフィルタのスカート特性を急峻にできる。共振器のｋ２を向上させることによりフィルタの通過帯域を広帯域化することができる。共振器のＱ値およびｋ２を所望の値とすることで、フィルタのスカート特性および通過帯域を所望の値とすることができる。
図２１（ｂ）は、実施例３の変形例に係るデュプレクサの回路図である。図２１（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。
実施例２の変形例１によれば、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。または、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。これにより、スカート特性を急峻化および／または通過帯域を広帯域化することができる。また、スカート特性および通過帯域を所望の値とすることができる。マルチプレクサの例としてデュプレクサを説明したが、マルチプレクサは、トライプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。
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
２８、２９ 挿入層
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
５２ａ、５２ｂ 外周領域
５４ａ、５４ｂ 中央領域
６０ 共振領域の外輪郭
６２、６９ 挿入層の内輪郭
６３ 挿入層の外輪郭
６４ 空隙または音響反射膜の外輪郭
６６ 上部圧電膜の端面
６８ 下部圧電膜の端面
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
２８、２９ 挿入層
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
５２ａ、５２ｂ 外周領域
５４ａ、５４ｂ 中央領域
６０ 共振領域の外輪郭
６２、６９ 挿入層の内輪郭
６３ 挿入層の外輪郭
６４ 空隙または音響反射膜の外輪郭
６６ 上部圧電膜の端面
６８ 下部圧電膜の端面
Claims (11)
- 基板と、
前記基板上に設けられた圧電膜と、
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、
各々、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ、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おらず、互いに内輪郭の位置が異なる複数の挿入層と、
を具備する圧電薄膜共振器。 - 前記複数の挿入層は音響インピーダンスが異なる請求項１記載の圧電薄膜共振器。
- 前記複数の挿入層は誘電率が異なる請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
- 前記複数の挿入層は同じ材料である請求項１記載の圧電薄膜共振器。
- 前記複数の挿入層は接している請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 前記複数の挿入層は前記圧電膜の一部を挟み離間している請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 前記複数の挿入層の少なくとも１つは、前記圧電膜内に挿入されている請求項１から６のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 前記複数の挿入層の少なくとも一つは、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挿入されている請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 前記複数の挿入層の少なくとも１つは空気層である請求項１から８いずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 請求項１から９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１０記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
Priority Applications (2)
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