JP2018125759A - 圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電薄膜共振器の性能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圧電膜１４と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み対向する下部電極１２および上部電極１６と、前記圧電膜に挿入され、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を囲む少なくとも一部において前記共振領域より外側に設けられ、前記共振領域内に設けられておらず、前記共振領域より外側の第１領域５２における第１膜厚は、前記第１領域より外側の第２領域５４における第２膜厚より小さい挿入膜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、フィルタおよびマルチプレクサに関し、圧電膜に挿入された挿入膜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積層膜を有している。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。

上部電極および下部電極の一方の表面に環帯を設けることが知られている（例えば特許文献１）。共振領域の外周領域に圧電膜に挿入された挿入膜を設けることが知られている（例えば特許文献２）。圧電膜内にブリッジと呼ばれる環帯を設けることが知られている（例えば特許文献３）。ピストンモードで動作させることでスプリアスを抑制できることが知られている（例えば特許文献４）。

特開２００６−１０９４７２号公報 特開２０１４−１６１００１号公報 米国特許第９０４８８１２号明細書 特表２００３−５０５９０６号公報

共振領域において厚み縦振動モードの弾性波が共振することで共振器として機能する。厚み縦振動モードに付随して平面方向に伝搬する横モードの弾性波が発生する。横モードの弾性波が共振領域の外に漏洩することで弾性波エネルギーが共振領域外に漏洩する。これにより、Ｑ値が小さくなる。また、横モードの弾性波に起因してスプリアスが発生する。

特許文献１から３の圧電薄膜共振器では、横モードの弾性波が共振領域の外に漏洩することを抑制することにより、Ｑ値を向上させることができる。しかしながら、スプリアスが発生する。特許文献４の圧電薄膜共振器では、スプリアスを抑制できる。しかしながら、Ｑ値が劣化する。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電薄膜共振器の性能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圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み対向する下部電極および上部電極と、前記圧電膜に挿入され、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を囲む少なくとも一部において前記共振領域より外側に設けられ、前記共振領域内に設けられておらず、前記共振領域より外側の第１領域における第１膜厚は、前記第１領域より外側の第２領域における第２膜厚より小さい挿入膜と、を具備する圧電薄膜共振器である。

上記構成において、前記基板内または上に設けられ、空隙、または音響特性の異なる少なくとも２種類の層が積層された音響反射膜、を含む音響反射層を具備し、平面視において、前記共振領域と前記第１領域と前記第２領域の少なくとも一部とは前記音響反射層に重なる構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域の反共振周波数における前記第２領域の横モードの波数は、前記共振領域の反共振周波数における前記共振領域の横モードの波数より大きい構成とすることができる。

上記構成において、前記第１領域の横モードの波数が０となる周波数は前記第２領域の横モードの波数が０となる周波数より高い構成とすることができる。

上記構成において、前記第１領域の内輪郭は前記共振領域の外輪郭に略一致する構成とすることができる。

上記構成において、前記第１領域の内輪郭は前記共振領域の外輪郭より外側に位置し、前記圧電膜と前記第１領域との間には前記挿入膜は設けられていない構成とすることができる。

上記構成において、前記第１領域の外輪郭と前記第２領域の内輪郭は略一致す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。

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、圧電薄膜共振器の性能を向上させかつスプリアスを抑制することができる。

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）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 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共振領域、挿入膜および空隙の位置関係を示す平面図である。 図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施例１の直列共振器の製造方法を示す断面図（その１）である。 図４（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（その２）である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、シミュレーションを行った比較例１、２および実施例１の断面構造を示す図である。 図６は、比較例１、２および実施例１における反共振周波数におけるＱ値および電気機械結合係数を示す図である。 図７は、比較例２および実施例１における周波数に対するＱ値を示す図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、それぞれ比較例１および２における周波数に対する反射係数Ｓ１１を示す図である。 図９（ａ）から図９（ｃ）は、それぞれ実施例１のｄ１＝２００ｎｍ、２０５ｎｍおよび２１０ｎｍにおける周波数に対する反射係数Ｓ１１を示す図である。 図１０は、実施例１における横モードの分散特性を示す図である。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、共振領域と挿入膜が挿入された領域の分散特性を示す図である。 図１２（ａ）は、領域５４が共振領域５０に接する場合の断面図、図１２（ｂ）から図１２（ｅ）は、横モード弾性波の第１から第４モード定在波の電気信号を示す図である。 図１３（ａ）は、領域５２が共振領域５０に接する場合の断面図、図１３（ｂ）から図１３（ｅ）は、横モード弾性波の第１から第４モード定在波の電気信号を示す図である。 図１４（ａ）から図１４（ｄ）は、それぞれ実施例１、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１５（ａ）から図１５（ｃ）は、それぞれ実施例１の変形例４から６の断面図である。 図１６（ａ）から図１６（ｄ）は、実施例１の変形例７の断面図である。 図１７（ａ）から図１７（ｄ）は、実施例１の変形例８の断面図である。 図１８（ａ）は、実施例２の圧電薄膜共振器の断面図、図１８（ｂ）は、実施例２の変形例１の圧電薄膜共振器の断面図である。 図１９（ａ）は、実施例３に係るフィルタの回路図であり、図１９（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。

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）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｂ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図１（ｃ）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（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。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。

挿入膜２８は、領域５２および５４に設けられ、共振領域５０内には設けられていない。領域５２は共振領域５０より外側に設けられ、領域５４は領域５２より外側に設けられている。領域５２は、圧電膜１４に薄い挿入膜２８ａが挿入されかつ平面視において空隙３０と重なる領域である。領域５４は、圧電膜１４に厚い挿入膜２８ｂが挿入されかつ平面視において空隙３０と重なる領域である。

上部電極１６上に酸化シリコン膜等の周波数調整膜および／またはパッシベーション膜が形成されていてもよい。共振領域５０内の積層膜は、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６を含む。

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（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。これにより、積層膜は直列共振器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。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。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。

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。挿入膜２８ａおよび２８ｂをそれぞれ膜厚が２０５ｎｍおよび３００ｎｍのＳｉＯ_２（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。

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。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（アルミニウム）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。

基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、サファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、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共振領域、挿入膜および空隙の位置関係を示す平面図である。また、図２では、わかり易くするため長さの比率が必ずしも図１（ａ）から図１（ｃ）と同じではない。

図１（ｂ）から図２において、共振領域５０の外側の輪郭である外輪郭６０、圧電膜１４に薄い挿入膜２８ａが挿入されかつ空隙３０と重なる領域５２の外輪郭６２、圧電膜１４に厚い挿入膜２８ｂが挿入されかつ空隙３０と重なる領域５４の外輪郭６４、空隙３０の外輪郭６６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。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、上部電極１６の下には厚い挿入膜２８ｂが設けられている。領域５４は空隙３０と重なるため、領域５４の外輪郭６４と空隙３０の外輪郭６６とが略一致する。領域７２において、空隙３０の外輪郭６６は領域５４の外輪郭６４より外側に位置する。引き出し領域７０および領域７２において、領域５２は共振領域５０より外側に共振領域５０に接して設けられている。領域５４は領域５２より外側に領域５２に接して設けられている。領域５２および５４は環状に設けられている。領域５２の幅は略同じであり、領域５４の幅は略同じである。

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ＳｉＯ_２（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。図３（ｃ）に示すように、下部圧電膜１４ａ上に挿入膜２８ｃ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３（ｄ）に示すように、挿入膜２８ｃ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２８ｃは、リフトオフ法により形成してもよい。

図４（ａ）に示すように、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８ｃ上に挿入膜２８ｄ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２８ｄ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２８ｄは、リフトオフ法により形成してもよい。これにより、挿入膜２８ｄにより薄い挿入膜２８ａが形成され、挿入膜２８ｃおよび２８ｄにより厚い挿入膜２８ｂが形成される。挿入膜２８ａおよび２８ｂにより挿入膜２８が形成される。

図４（ｂ）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、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（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。

図４（ｃ）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。

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。下部電極１２から周波数調整膜までの積層膜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（ｂ）に示した直列共振器Ｓ、および図１（ａ）および図１（ｃ）に示した並列共振器Ｐが作製される。

次に、実施例１に係る圧電薄膜共振器のＱ値およびスプリアスを２次元有限要素法を用いシミュレーションした。図５（ａ）から図５（ｃ）は、シミュレーションを行った比較例１、２および実施例１の断面構造を示す図である。図５（ａ）から図５（ｃ）に示すように、共振領域５０の中心をミラー界面５９とした。共振領域５０の半分の幅をＷ５、共振領域５０の外側の空隙３０の幅をＷ６、共振領域５０の外側の下部圧電膜１４ａの幅をＷ７とした。

図５（ａ）に示すように、比較例１では共振領域５０の外周領域において圧電膜１４に挿入膜２８が挿入されている。共振領域５０内の挿入膜２８の幅および膜厚をそれぞれＷ０およびｄ０とした。図５（ｂ）に示すように、比較例２では共振領域５０より外側の圧電膜１４に挿入膜２８が挿入されている。圧電膜１４に挿入膜２８が挿入された幅をＷ０、挿入膜２８の膜厚をｄ０とした。図５（ｃ）に示すように、実施例１では領域５２の幅をＷ１、挿入膜２８ａの膜厚をｄ１とした。領域５４の幅をＷ２、挿入膜２８ｂの膜厚をｄ２とした。

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
圧電膜１４：膜厚が１２６０ｎｍのＡｌＮ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
挿入膜２８：酸化シリコン膜
上部電極１６：膜厚が２３０ｎｍのＲｕ膜
共振領域５０の幅Ｗ５：４２μｍ
共振領域５０より外側の空隙３０の幅Ｗ６：１３μｍ
共振領域５０より外側の下部圧電膜１４ａの幅Ｗ７：８μｍ

比較例１
挿入膜２８の膜厚ｄ０：１５０ｎｍ
挿入膜２８の挿入幅Ｗ０：２２００ｎｍ
比較例２
挿入膜２８の膜厚ｄ０：３００ｎｍ
挿入膜２８の挿入幅Ｗ０：２８００ｎｍ

実施例１
サンプルｄ１＝２００ｎｍ
挿入膜２８ａの膜厚ｄ１：２００ｎｍ
挿入膜２８ａの挿入幅Ｗ１：３４００ｎｍ
挿入膜２８ｂの膜厚ｄ２：３００ｎｍ
挿入膜２８ｂの挿入幅Ｗ２：４０００ｎｍ
サンプルｄ１＝２０５ｎｍ
挿入膜２８ａの膜厚ｄ１：２０５ｎｍ
挿入膜２８ａの挿入幅Ｗ１：３４００ｎｍ
挿入膜２８ｂの膜厚ｄ２：３００ｎｍ
挿入膜２８ｂの挿入幅Ｗ２：３８００ｎｍ
サンプルｄ１＝２１０ｎｍ
挿入膜２８ａの膜厚ｄ１：２１０ｎｍ
挿入膜２８ａの挿入幅Ｗ１：４４００ｎｍ
挿入膜２８ｂの膜厚ｄ２：３００ｎｍ
挿入膜２８ｂの挿入幅Ｗ２：２８００ｎｍ

図６は、比較例１、２および実施例１における反共振周波数におけるＱ値および電気機械結合係数を示す図である。図６に示すように、比較例１、２および実施例１において、反共振周波数におけるＱ値、電気機械結合係数ｋ^２はほぼ同程度である。詳細にみると、比較例２は電気機械結合係数が少し小さい。

図７は、比較例２および実施例１における周波数に対するＱ値を示す図である。図７に示すように、比較例２ではＱ値は共振周波数ｆｒが最大で、共振周波数ｆｒから周波数が大きくなるとＱ値が小さくなる。実施例１のｄ１＝２０５ｎｍでは、共振周波数ｆｒから周波数が大きくなるとＱ値は大きくなる。２．１５ＧＨｚ付近でＱ値は最大となる。反共振周波数ｆａにおいては比較例２と実施例１とでＱ値はほぼ同じであるが、Ｑ値の最大値は実施例１が大きい。実施例１はＱ値の大きい範囲が比較例２より大きい。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、それぞれ比較例１および２における周波数に対する反射係数Ｓ１１を示す図である。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、比較例１および２においては大きなスプリアス７４が観測される。

図９（ａ）から図９（ｃ）は、それぞれ実施例１のｄ１＝２００ｎｍ、２０５ｎｍおよび２１０ｎｍにおける周波数に対する反射係数Ｓ１１を示す図である。図９（ａ）から図９（ｃ）に示すように、比較例１および２に比べスプリアスが非常に小さい。

比較例１、２では、挿入膜２８を設けることで横モードの弾性波が挿入膜２８の内輪郭で反射される。これにより、横モードの弾性波が共振領域５０の外に漏洩すること（すなわち弾性波エネルギーが共振領域５０外に漏れること）を抑制できる。しかし、図７（ａ）および図７（ｂ）のように、横モードの弾性波に起因したスプリアスが発生する。

実施例１では、Ｑ値および電気機械結合係数ｋ^２を比較例１および２と同程度以上とし、かつ図８（ａ）および図８（ｂ）のようにスプリアスを抑制できる。

実施例１において、Ｑ値を向上させ、かつスプリアスを抑制できる理由を説明する。実施例１における横モードの弾性波（横方向に伝搬する弾性波）の分散特性をシミュレーションした。シミュレーション条件は上記条件と同じである。シミュレーションした弾性波のモードは、圧電薄膜共振器において用いる主モードである。

図１０は、実施例１における横モードの分散特性を示す図である。図１０において、横軸は横方向の波数であり、縦軸は周波数である。波数が０のとき、弾性波は横方向に伝搬せず、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し、横モードの弾性波となる。共振領域５０の分散特性の波数が０の周波数が圧電薄膜共振器の共振周波数ｆｒとなる。共振領域５０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ｆ０を越えると、周波数は波数にともない高くなる。周波数がｆ０とｆｒとの間の周波数帯域においてスプリアスが発生しやすくなる。

反共振周波数ｆａにおける共振領域５０の波数をβ５０、領域５４の波数をβ５４とする。波数β５４はβ５０より大きい。これは、領域５４における横モードの弾性波は共振領域５０における横モードの弾性波より遅いことを示している。これにより、共振領域５０を伝搬した横モードの弾性波は、領域５４において反射される。よって、共振領域５０から横モードの弾性波が漏洩することを抑制できる。よって、Ｑ値が向上する。

次に、実施例１において、スプリアスが抑制できる理由を説明する。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、共振領域と挿入膜が挿入された領域の分散特性を示す図である。図１１（ａ）に示すように、圧電膜１４に厚い挿入膜が挿入された領域５４では、遮断周波数ｆ２は共振周波数ｆｒより小さくなる。図１１（ｂ）に示すように、圧電膜１４に薄い挿入膜が挿入された領域５２では、遮断周波数ｆ１は共振周波数ｆｒ付近となる。

図１２（ａ）は、領域５４が共振領域５０に接する場合の断面図、図１２（ｂ）から図１２（ｅ）は、横モード弾性波の第１から第４モード定在波の電気信号を示す図である。図１２（ａ）に示すように、共振領域５０の両側に領域５４が接して設けられている。この構成は比較例２に対応する。このとき、図１１（ａ）のように、領域５４の遮断周波数ｆ２が共振周波数ｆｒより低い。このため、共振周波数ｆｒより周波数の低い横モード弾性波は領域５４を伝搬できない。よって、共振領域５０と領域５４との境界５６ａは固定端となる。

図１２（ｂ）から図１２（ｅ）のように、境界５６ａは定在波の節となる。第１モードおよび第３モードでは、共振領域５０内における定在波の正の電気信号の面積８０ａの合計と負側の電気信号の面積８０ｂの合計とは同じとなる。このため、スプリアスは生じない。第２モードおよび第４モードでは、共振領域５０内における定在波の正の電気信号の面積８０ａの合計と負側の電気信号の面積８０ｂの合計とが異なる。このため、スプリアスが生じる。

図１３（ａ）は、領域５２が共振領域５０に接する場合の断面図、図１３（ｂ）から図１３（ｅ）は、横モード弾性波の第１から第４モード定在波の電気信号を示す図である。図１３（ａ）に示すように、共振領域５０の両側に領域５２が接して設けられている。この構成は実施例１の共振領域５０および領域５２に対応する。このとき、図１１（ｂ）のように、領域５２の遮断周波数ｆ１が共振周波数ｆｒ近傍にある。このため、共振周波数ｆｒより周波数の低い横モード弾性波は領域５２を伝搬でききる。よって、共振領域５０と領域５２との境界５６ｂは自由端となる。

図１３（ｂ）から図１３（ｅ）のように、境界５６ｂは定在波の腹となり、領域５２の外端が定在波の節となる。第１モードから第４モードのいずれにおいても、共振領域５０内における定在波の正の電気信号の面積８０ａの合計と負側の電気信号の面積８０ｂの合計とは同じとなる。このため、スプリアスは生じない。

比較例２では、図１０のように、領域５４における反共振周波数ｆａ付近の波数β５４を共振領域５０における反共振周波数ｆａ付近の波数β５０より大きくする。これにより、反共振周波数ｆａ付近の横モード弾性波の共振領域５０外への漏洩を抑制できる。よって、Ｑ値を向上できる。しかし、領域５４における波数が０の遮断周波数ｆ２が共振周波数ｆｒより小さくなる。これにより、共振領域５０と領域５４との境界５６ａが固定端となってしまい、スプリアスが発生する。

実施例１では、領域５２の外側に領域５４を設けることで、反共振周波数ｆａ付近の横モード弾性波の共振領域５０外への漏洩を抑制できる。よって、Ｑ値を向上できる。また、領域５２における遮断周波数ｆ１が共振周波数ｆｒ付近のため、共振領域５０と領域５２との境界５６ｂが自由端となる。よって、スプリアスが発生しない。このように、Ｑ値の向上とスプリアスの抑制を行うことができる。

実施例１によれば、挿入膜２８は、共振領域５０を囲む少なくとも一部において共振領域５０より外側に設けられ、共振領域５０内に設けられていない。共振領域５０より外側の領域５２（第１領域）における膜厚ｄ１（第１膜厚）は、領域５２より外側の領域５４（第２領域）における膜厚ｄ２（第２膜厚）より小さい。これにより、Ｑ値を向上しかつスプリアスを抑制することができる。

平面視において、共振領域５０と領域５２と領域５４の少なくとも一部とは空隙３０に重なる。これにより、共振領域５０、領域５２、および領域５４の少なくとも一部内の圧電膜１４を横モードの弾性波が伝搬する。このため、共振領域５０と領域５２との界面が自由端となる。よって、図１４のように、スプリアスを抑制できる。

図１０のように、共振領域５０の反共振周波数ｆａにおける領域５４の横モードの波数β５４、反共振周波数ｆａにおける共振領域５０の横モードの波数β５０より大きい。これにより、横モードの弾性波が共振領域５０外に漏洩することが抑制される。よって、Ｑ値がより向上する。

また、領域５２の横モードの波数が０となる周波数ｆ１は領域５４の横モードの波数が０となる周波数ｆ２数より高い。これにより、共振領域５０と領域５２との界面が自由端となり、スプリアスを抑制できる。

図１４（ａ）から図１４（ｄ）は、それぞれ実施例１、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１４（ａ）に示すように、実施例１の圧電薄膜共振器において、簡略化のため空隙３０を基板１０内に図示する。その他の構成は、図１（ａ）から図１（ｃ）と同じである。

［実施例１の変形例１］
図１４（ｂ）に示すように、下部電極１２上において下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８ｂが空隙３０の外側まで延伸している。上部圧電膜１４ｂの外輪郭が空隙３０の外輪郭６６の内側に位置するため、領域５４の外輪郭６４は空隙３０の外輪郭６６より内側に位置する。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２］
図１４（ｃ）に示すように、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８ｂが空隙３０の外側まで延伸している。上部圧電膜１４ｂの外輪郭は空隙３０の外輪郭６６に略一致している。このため、領域５４の外輪郭６４は空隙３０の外輪郭６６と略一致する。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の変形例３］
図１４（ｄ）に示すように、下部圧電膜１４ａ、挿入膜２８ｂおよび上部圧電膜１４ｂが空隙３０の外側まで延伸している。このため、領域５４の外輪郭６４は空隙３０の外輪郭６６と略一致する。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の変形例１から３のように、下部圧電膜１４ａ、挿入膜２８ｂおよび上部圧電膜１４ｂのそれぞれの外輪郭は、空隙３０の外輪郭６６の内側に位置、外側に位置、または略一致してもよい。

［実施例１の変形例４］
図１５（ａ）から図１５（ｃ）は、それぞれ実施例１の変形例４から６の断面図である。図１５（ａ）に示すように、挿入膜２８ｂの外輪郭は空隙３０の外輪郭６６より外側に位置する。このため、領域５４の外輪郭６４は空隙３０の外輪郭６６と略一致する。その他の構成は実施例１の変形例３と同じであり説明を省略する。

［実施例１の変形例５］
図１５（ｂ）に示すように、領域５２および５４における上部圧電膜１４ｂ上に空隙３２を介し上部電極１６が設けられている。上部圧電膜１４ｂの外輪郭は空隙３０の外輪郭６６の外側に位置する。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６］
図１５（ｃ）に示すように、領域５２および５４における下部圧電膜１４ａ下に空隙３２を介し下部電極１２が設けられている。上部圧電膜１４ｂの外輪郭は空隙３０の外輪郭６６の外側に位置する。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５および６のように、領域５２および５４において、圧電膜１４と下部電極１２との間と、圧電膜１４と上部電極１６との間と、の少なくとも一方に空隙３２が設けられていてもよい。この場合、共振領域５０は例えば空隙３２が設けられていない領域となる。

［実施例１の変形例７］
図１６（ａ）から図１６（ｄ）は、実施例１の変形例７の断面図である。図１６（ａ）から図１６（ｄ）に示すように、領域５２の内輪郭６１は共振領域５０の外輪郭６０より外側に位置する。共振領域５０と領域５２との間には挿入膜は設けられてない。その他の構成は、それぞれ実施例１、実施例１の変形例５、６および３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６では、領域５２の内輪郭は共振領域５０の外輪郭６０に略一致しているが、実施例１の変形例７のように、領域５２の内輪郭６１は共振領域５０の外輪郭６０より外側に位置してもよい。これにより、製造工程における共振領域５０と挿入膜２８ａとの位置合わせマージンを確保することができる。領域５２の内輪郭６１と共振領域５０の外輪郭６０との距離は横モード弾性波の波長以下が好ましい。

［実施例１の変形例８］
図１７（ａ）から図１７（ｄ）は、実施例１の変形例８の断面図である。図１７（ａ）から図１７（ｄ）に示すように、領域５４の内輪郭６３は領域５２の外輪郭６２より外側に位置する。領域５２と領域５４との間には挿入膜は設けられてない。その他の構成は、それぞれ実施例１およびその変形例１から３と同じであり説明を省略する。

実施例１およびその変形例１から７では、領域５４の内輪郭は領域５２の外輪郭６２に略一致しているが、実施例１の変形例８のように、領域５４の内輪郭６３は領域５２の外輪郭６２より外側に位置してもよい。領域５４の内輪郭６３と領域５２の外輪郭６２との距離は横モード弾性波の波長以下が好ましい。

実施例２およびその変形例１は、空隙の構成を変えた例である。図１８（ａ）は、実施例２の圧電薄膜共振器の断面図、図１８（ｂ）は、実施例２の変形例１の圧電薄膜共振器の断面図である。図１８（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１８（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。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およびその変形例において、実施例２と同様に空隙３０を形成してもよく、実施例２の変形例１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およびその変形例並びに実施例２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２の変形例１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２およびその変形例において、挿入膜２８が共振領域５０を全て囲むように設けられているが、挿入膜２８は共振領域５０の少なくとも一部において共振領域５０より外側に設けられていればよい。例えば領域５２および５４は一部がカットされた環状でもよい。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３は、実施例１、２およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いたフィルタおよびデュプレクサの例である。図１９（ａ）は、実施例３に係るフィルタの回路図である。図１９（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。

図１９（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１９（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４０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４２が接続されている。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。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３のフィルタとすることができる。

フィルタが実施例１から２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、スプリアスを抑制し、例えば通過帯域内のリップルを抑制できる。

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２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
２８、２８ａ、２８ｂ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２、５４ 領域

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた圧電膜と、
   前記圧電膜の少なくとも一部を挟み対向する下部電極および上部電極と、
   前記圧電膜に挿入され、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を囲む少なくとも一部において前記共振領域より外側に設けられ、前記共振領域内に設けられておらず、前記共振領域より外側の第１領域における第１膜厚は、前記第１領域より外側の第２領域における第２膜厚より小さい挿入膜と、
   を具備する圧電薄膜共振器。
2. 前記基板内または上に設けられ、空隙、または音響特性の異なる少なくとも２種類の層が積層された音響反射膜、を含む音響反射層を具備し、
   平面視において、前記共振領域と前記第１領域と前記第２領域の少なくとも一部とは前記音響反射層に重なる請求項１記載の圧電薄膜共振器。
3. 前記共振領域の反共振周波数における前記第２領域の横モードの波数は、前記共振領域の反共振周波数における前記共振領域の横モードの波数より大きい請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
4. 前記第１領域の横モードの波数が０となる周波数は前記第２領域の横モードの波数が０となる周波数より高い請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
5. 前記第１領域の内輪郭は前記共振領域の外輪郭に略一致する請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
6. 前記第１領域の内輪郭は前記共振領域の外輪郭より外側に位置し、前記圧電膜と前記第１領域との間には前記挿入膜は設けられていない請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
7. 前記第１領域の外輪郭と前記第２領域の内輪郭は略一致する請求項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７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フィルタ。
10. 請求項９記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
    

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