JP2019186691A - 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】圧電膜等に加わる応力を抑制すること。【解決手段】基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられ、窒化アルミニウムを主成分とし、窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素が添加された圧電膜と、前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する領域である共振領域が形成されるように設けられた上部電極と、前記共振領域における前記圧電膜上に設けられ、アルゴン濃度が前記圧電膜のアルゴン濃度より低く、窒化アルミニウムを主成分とする付加膜と、前記基板と前記下部電極との間に設けられ、前記圧電膜内に励振された弾性波を反射する音響反射層と、を備える圧電薄膜共振器。【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。

圧電薄膜共振器の電気機械結合係数を大きくするため、窒化アルミニウムを主成分とする圧電膜に窒素およびアルミニウム以外の元素を添加することが知られている（例えば特許文献１−３）。上部電極上にＡｌＮ膜を設けることが知られている（例えば特許文献４）。共振領域の端部から外側にかけての上部電極上に引張応力の膜を設けることが知られている（例えば特許文献５）。

特開２０１３−４６１１１号公報 特開２０１３−２１９７４３号公報 国際公開第２０１３／１７５９８５号 特開２００９−１１１６２３号公報 米国特許出願公開第２０１８／００１９７２６号明細書

圧電薄膜共振器の特性向上のため圧電膜を圧縮応力とすることがある。例えば、特許文献１から３のように、窒化アルミニウムを主成分とする圧電膜に窒素およびアルミニウム以外の元素を添加することで、圧電膜の圧電性が向上し電気機械結合係数等の圧電薄膜共振器の特性が向上する。特許文献１に記載されているように、このとき、圧電膜の残留応力は圧縮応力となる。圧電膜の残留応力が圧縮応力となると、圧電膜にクラックが生じる、または圧電膜等が剥がれる等の破壊が生じる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電膜等に加わる応力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、前記下部電極上に設けられ、窒化アルミニウムを主成分とし、窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素が添加された圧電膜と、前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する領域である共振領域が形成されるように設けられた上部電極と、前記共振領域における前記圧電膜上に設けられ、アルゴン濃度が前記圧電膜のアルゴン濃度より低く、窒化アルミニウムを主成分とする付加膜と、前記基板と前記下部電極との間に設けられ、前記圧電膜内に励振された弾性波を反射する音響反射層と、を備える圧電薄膜共振器である。

上記構成において、前記付加膜は、前記窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素が実質的に添加されていない構成とすることができる。

上記構成において、前記窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素は、スカンジウムもしくはボロン、または、２族元素もしくは１２族元素と４族元素もしくは５族元素とである構成とすることができる。

本発明は、基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられ、残留応力が圧縮応力である圧電膜と、前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する領域である共振領域が形成されるように設けられた上部電極と、前記共振領域における前記圧電膜上に設けられ、残留応力が引張応力である付加膜と、前記基板と前記下部電極との間に設けられ、前記圧電膜内に励振された弾性波を反射する音響反射層と、を備える圧電薄膜共振器である。

上記構成において、前記付加膜は前記上部電極上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、前記付加膜は、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、前記上部電極上に設けられた前記付加膜の材料と異なる材料からなる絶縁膜を更に備え、前記付加膜は、前記上部電極と前記絶縁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、前記付加膜は、前記共振領域内のうち少なくとも中央領域における前記圧電膜上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、前記付加膜のヤング率は、前記下部電極および前記上部電極内の少なくとも１つの層のヤング率より大きい構成とすることができる。

上記構成において、前記付加膜の膜厚は、前記圧電膜の膜厚の８％以上である構成とすることができる。

上記構成において、前記音響反射層は空隙であり、前記上部電極が前記共振領域から引き出される領域における前記下部電極の端は、前記空隙と前記圧電膜との間に位置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、圧電膜等に加わる応力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）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２は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面拡大図である。 図３は、実験における圧電膜の残留応力と圧電膜の破損を示す図である。 図４は、シミュレーションにおける応力比を示す図である。 図５は、Ａｒ流量に対する残留応力を示す図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例１および２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例３および４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、それぞれ実施例２およびその変形例１に係るフィルタおよび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）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。空隙３０は、圧電膜１４に励振された弾性波を反射する音響反射層として機能する。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は下部電極１２上に設けられ、上部圧電膜１４ｂは下部圧電膜１４ａと上部電極１６との間に設けられている。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。

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。

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。平面視において空隙３０は共振領域５０を含むように設けられる。これにより、圧電膜１４に励振された弾性波は空隙３０により反射される。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。

共振領域５０内の上部電極１６上には窒化アルミニウムを主成分とする付加膜２６が設けられている。付加膜２６上に周波数調整膜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。また、図１（ｂ）のように、挿入膜２８は孔部３５に連通する孔部３４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。

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、サファイア基板、スピネル基板、水晶基板または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、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。圧電膜１４の残留応力は例えば圧縮応力である。

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膜、Ａｕ膜、Ｃｕ膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ｔａ膜、Ｃｒ膜または酸化シリコン膜であることが好ましい。

付加膜２６としては、窒化アルミニウム膜以外にも酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化アルミニウム膜等の絶縁膜を用いることができる。付加膜２６は金属膜でもよい。付加膜２６の残留応力は、例えば引張応力である。

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（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。

[比較例１]
図２は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面拡大図である。図２は、上部電極が共振領域から引き出される領域付近の断面図である。図２に示すように、空隙３０の端部と下部電極１２との端部が略一致しており、下部電極１２の端は空隙３０と圧電膜１４との間に位置する。圧電膜１４の圧縮応力が大きい場合、下部電極１２の端部５６に応力が集中する。このため、圧電膜１４にクラックが生じる、および／または圧電膜１４が剥がれてしまう。

[比較例１における実験]
そこで、付加膜２６を設けていない構造Ｂの圧電薄膜共振器を作製した。圧電膜１４の応力を変え、圧電膜１４のクラックおよび／または剥がれ等の破壊の有無を調査した。構造Ｂの作製条件は以下である。
下部電極１２の下層１２ａ：膜厚が９８ｎｍのＣｒ膜
下部電極１２の上層１２ｂ：膜厚が１９２ｎｍのＣｒ膜
圧電膜１４：膜厚が１２５０ｎｍのＡｌＮ膜
挿入膜２８：膜厚が１５０ｎｍの酸化シリコン膜
挿入膜２８は、圧電膜１４の厚さ方向の中心に設けた。
上部電極１６の下層１６ａ：膜厚が２３２ｎｍのＲｕ膜
上部電極１６の上層１６ｂ：膜厚が３５ｎｍのＣｒ層
周波数調整膜２４：膜厚が５０ｎｍの酸化シリコン膜
共振領域５０の形状：長軸が２１１μｍ、短軸が１５１μｍの楕円形状

圧電膜１４の成膜方法は以下である。圧力を０．３Ｐａとし、Ａｒ（アルゴン）ガスとＮ_２（窒素ガス）の混合ガス雰囲気においてスパッタリングを行った。Ａｒ／Ｎ_２混合ガスにおける、Ａｒ＋Ｎ_２の流量に対するＡｒの流量の比（Ａｒ流量比）を変えることで圧電膜１４の残留応力を変化させた。圧電膜１４には、窒素およびアルミニウム以外の元素を意図的に添加していない。

圧電薄膜共振器の圧電膜１４を成膜する条件と同じ条件でシリコン基板上に圧電膜を成膜した。室温におけるシリコン基板の反りから残留応力を測定した。圧電膜１４の残留応力が引張応力のときは、圧電膜１４を設けた面が凹むようにシリコン基板が反る。圧電膜１４の残留応力が圧縮応力のときは、圧電膜１４を設けた面が膨らむようにシリコン基板が反る。残留応力の符号は、引張応力のとき正であり、圧縮応力のとき負である。なお、残留応力は内部応力ともいう。

作製した圧電薄膜共振器のサンプルにおいて、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）を用い圧電膜１４の破壊を観察した。圧電膜１４にクラックおよび／または剥離が生じているサンプルを圧電膜１４の破壊が「有」とし、圧電膜１４にクラックおよび剥離のいずれも生じていないサンプルを圧電膜１４の破壊が「無」とした。

図３は、実験における圧電膜の残留応力と圧電膜の破損を示す図である。図３に示すように、圧電膜１４の残留応力が−２００ＭＰａ以下では圧電膜１４の破壊が生じ、残留応力が−１５０ＭＰａ以上では圧電膜１４の破壊は生じない。

［シミュレーション］
付加膜２６としてＡｌＮ膜を設けた構造Ａと付加膜２６を設けない構造Ｂについて、下部電極１２の端部５６（図２参照）に加わる応力を２次元の有限要素法を用い算出した。シミュレーション条件は、実験の条件と同じとした。図３の実験結果より、構造Ｂでは、圧電膜１４の残留応力が−１５０Ｍｐａのときが圧電膜１４の破損の有無の臨界値となる。そこで、下部電極１２の端部５６に加わる応力は、構造Ｂにおける残留応力が−１５０ＭＰａのときの端部５６に加わる応力で規格化した。規格化した応力を応力比とし１００分率で表した。応力比が１００％以上の構造では圧電膜１４に破壊が生じ、１００％未満では圧電膜１４に破壊が生じないと考えられる。

図４は、シミュレーションにおける応力比を示す図である。図４に示すように、構造Ｂでは、圧電膜１４の残留応力が−２００ＭＰａ以下で応力比が１００％以上となり、圧電膜１４の残留応力が−１００ＭＰａ以下で応力比が１００％未満となる。これは図３の結果と一致している。このように、シミュレーションにより、圧電膜１４の破損の有無が予想できる。

構造Ａでは、引張応力の付加膜２６を設けることで、応力比を１００％未満にできる。すなわち、圧電膜１４の破損を抑制できる。付加膜２６の膜厚が大きいほど応力比を小さくでき、付加膜２６の残留応力が大きいほど応力比を小さくできる。圧電膜１４の残留応力の絶対値が大きくなる（すなわち圧縮応力が大きくなる）と、付加膜２６の膜厚を大きくしかつ残留応力を大きくしないと応力比は１００％未満とならない。

図４のように、応力比を１００％未満とするため、付加膜２６の膜厚は１００ｎｍ以上が好ましい。これは圧電膜１４の膜厚の８％以上に相当する。このように、付加膜２６の膜厚は圧電膜１４の膜厚の８％以上が好ましく、１０％以上がより好ましく、１５％以上がさらに好ましい。付加膜２６が厚すぎると付加膜２６または圧電膜１４との剥がれ等が生じる。よって、付加膜２６の膜厚は圧電膜１４の膜厚の５０％以下が好ましく、４０％以下がより好ましく、３０％以下がさらに好ましい。

また、応力比を１００％未満とするため、付加膜２６の残留応力の絶対値は、圧電膜１４の残留応力の絶対値の５０％以上が好ましく、７５％以上がより好ましく、１００％以上がさらに好ましい。付加膜２６の引張応力が大きすぎると付加膜２６または圧電膜１４との剥がれ等が生じる。よって、付加膜２６の残留応力の絶対値は、圧電膜１４の残留応力の絶対値の５００％以下が好ましく、３００％以下がより好ましく、２００％以下がさらに好ましい。

付加膜２６の残留応力を設定するためのＡｌＮ膜の成膜方法を検討した。ＡｌＮをターゲットとし、スパッタリングガスをＡｒ／Ｎ_２混合ガスとした。Ｎ_２は、Ａｌと反応させＡｌＮとするためのガスである。ターゲットのスパッタリングには主にＡｒが寄与する。圧力を０．３Ｐａとし、Ｎ_２流量を８０ｓｃｃｍの一定値とし、Ａｒ流量を変えＡｌＮ膜を成膜した。ＡｌＮ膜には窒素およびアルミニウム以外の元素を意図的には添加していない。

図５は、Ａｒ流量に対する残留応力を示す図である。図５に示すように、Ａｒ流量が小さいと、残留応力は圧縮応力である。Ａｒ流量が大きくなると、残留応力が大きくなり引張応力となる。このように、Ａｒ流量を変えることで付加膜２６の残留応力を制御できる。Ａｒ流量の大きい（すなわち残留応力が大きい）付加膜２６のＡｒ濃度はＡｒ流量の小さい（すなわち残留応力の小さい）付加膜２６のＡｒ濃度より高いと考えられる。

圧電膜１４が圧縮応力となる原因としては、例えば圧電膜１４に圧電膜１４の圧電性が向上するような元素を添加することが挙げられる。特許文献２に記載されているように、圧電膜１４に、２族元素または１２族元素と４族元素を添加する、または２族元素と５族元素とを添加する。なお、元素の族の名称は、ＩＵＰＡＣ（International Union of Pure and Applied Chemistry）の表記による。２族元素は、例えばカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）またはストロンチウム（Ｓｒ）である。１２族元素は例えば亜鉛（Ｚｎ）である。４族元素は、例えばチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）である。５族元素は、例えばタンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）またはバナジウム（Ｖ）である。特許文献３に記載されているように、圧電膜１４は、窒化アルミニウム膜を主成分とし、スカンジウム（Ｓｃ）が添加されていてもよい。また、圧電膜１４は窒化アルミニウムを主成分とし、ボロン（Ｂ）が添加されていてもよい。

２族元素もしくは１２族元素と４族元素もしくは５族元素、スカンジウムおよびボロンを仮に元素Ｍとすると、元素ＭはＡｌＮのＡｌに置換する。すなわち、元素ＭはＡｌサイトに位置する。これにより、圧電膜１４の圧電性が向上し圧電薄膜共振器の電気機械結合係数等の特性が向上する。このとき、圧電膜１４は圧縮応力となる。

圧電薄膜共振器の電気機械結合係数を構造させるため、元素Ｍの濃度（Ｍ＋Ａｌに対するＭの濃度）は、５原子％以上が好ましく、１０原子％以上がより好ましく、２０原子％以上がさらに好ましい。また、圧電膜１４をＡｌＮ膜とするため、元素Ｍの濃度は５０原子％以下が好ましく、４０原子％以下がより好ましい。なお、圧電膜１４が窒化アルミニウム膜を主成分とするとは、本明細書の効果が得られる程度に窒化アルミニウムを含むことであり、例えば圧電膜１４の５０原子％以上がＡｌおよびＮであることである。

以上説明したように、付加膜２６を設けない比較例１では、圧電膜１４を圧縮応力とした場合、圧電膜１４に加わる応力が大きくなってしまう。

実施例１によれば、圧電膜１４を、窒化アルミニウムを主成分とし、窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素を意図的に添加する。これにより、圧電膜１４の圧電性が向上する。しかし、圧電膜１４の残留応力が圧縮応力となる。そこで、付加膜２６を、共振領域５０における圧電膜１４上に設ける。付加膜２６を、アルゴン濃度が圧電膜１４のアルゴン濃度より低く、窒化アルミニウムを主成分とする膜とする。これにより、付加膜２６が引張応力となり、下部電極１２の端部等において圧電膜１４に加わる応力を抑制できる。よって、圧電膜１４の破壊を抑制できる。

付加膜２６は、窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素が実質的に（すなわち意図的に）添加されていない。これにより、付加膜２６をより引張応力とすることができる。

窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素は、スカンジウムもしくはボロン、または、２族元素もしくは１２族元素と４族元素もしくは５族元素とである。これにより、圧電膜１４の圧電性がより向上する。しかし、圧電膜１４が圧縮応力となりやすく下部電極１２の端部に応力が集中しやすい。そこで、付加膜２６を設けることが好ましい。

圧電膜１４が窒化アルミニウムを主成分とし、ボロンが添加されている場合、圧電膜１４が硬くなる。よって、圧電膜１４に応力が加わるとクラック等の破損が生じやすい。よって、付加膜２６を設けることが好ましい。

また、実施例１によれば、圧電薄膜共振器の特性向上等のため、圧電膜１４の残留応力を圧縮応力とする。このとき、共振領域５０における圧電膜１４上に、残留応力が引張応力である付加膜２６を設ける。これにより、下部電極１２の端部等において圧電膜１４に加わる応力を抑制できる。よって、圧電膜１４の破壊を抑制できる。

付加膜２６は、共振領域５０外に設けられていてもよいが、少なくとも共振領域５０の全体と重なるように設ける。これにより、下部電極１２の端部の圧電膜１４に加わる応力を抑制できる。付加膜２６は、共振領域５０の一部と重なり、共振領域５０の他の部分に重ならなくてもよい。下部電極１２の端部への応力の集中を抑制するため、付加膜２６は、共振領域５０内の少なくとも中央領域５４における圧電膜１４上に設けられていることが好ましい。

付加膜２６のヤング率が小さいと、付加膜２６が歪んでしまう。これにより、圧電膜１４の応力を緩和することが難しくなる。そこで、付加膜２６のヤング率は、下部電極１２および上部電極１６内の少なくとも１つの層のヤング率より大きいことが好ましい。例えば、下部電極１２および上部電極１６として用いるルテニウムおよびクロムのヤング率は、それぞれ４４７ＧＰａおよび２７９ＧＰａである。二酸化シリコンおよび窒化アルミニウムのヤング率はそれぞれ７９ＧＰａおよび３９５ＧＰａである。よって、付加膜２６としては、酸化シリコン膜より窒化アルミニウム膜が好ましい。

図２のように、上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域における下部電極１２の端は、空隙３０と圧電膜１４との間に位置する。このような構造では、下部電極１２の端部に応力が集中する。よって、圧電膜１４が破壊されやすくなる。そこで、付加膜２６を設ける。これにより、下部電極１２の端部への応力の集中を抑制できる。下部電極１２の端は、空隙３０と圧電膜１４との間に位置しない場合であっても、下部電極１２の端部には応力が集中するため、付加膜２６を設けることが好ましい。

［実施例１の変形例１］
図６（ａ）は、実施例１の変形例１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、付加膜２６は圧電膜１４と上部電極１６との間に設けられている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１のように、付加膜２６は、上部電極１６の上に設けられていてもよい。実施例１の変形例１のように、付加膜２６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。また、実施例１のように、付加膜２６は、共振領域５０に設けられ、共振領域５０以外には設けられていなくてもよい。実施例１の変形例１のように、付加膜２６は、共振領域５０以外に設けられていてもよい。

例えば付加膜２６の主成分が圧電膜１４の主成分と異なる場合、実施例１の変形例１のように、付加膜２６を圧電膜１４と上部電極１６との間に設けると、圧電薄膜共振器の特性が劣化してしまう。よって、実施例１のように、付加膜２６を上部電極１６上に設けることが好ましい。上部電極１６上に設けられた付加膜２６の材料と異なる材料からなる周波数調整膜２４（絶縁膜）が設けられている場合、付加膜２６は、上部電極１６と周波数調整膜２４との間に設けることが好ましい。これにより、付加膜２６が圧電膜１４の近くに位置するため、応力をより緩和できる。

付加膜２６の主成分が圧電膜１４の主成分と同じ場合、例えば付加膜２６および圧電膜１４の主成分が窒化アルミニウムの場合、実施例１の変形例１のように付加膜２６を圧電膜１４と上部電極１６との間に設けてもよい。これにより、実施例１より、付加膜２６が圧電膜１４の近くに位置するため、応力をより緩和できる。

[実施例１の変形例２]
図６（ｂ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図６（ｂ）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の端面は共振領域５０の輪郭に略一致する。下部圧電膜１４ａの端面は共振領域５０の輪郭より外側に位置する。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２のように、実施例１およびその変形例１において、圧電膜１４は階段状に設けられていてもよい。

［実施例１の変形例３］
図７（ａ）は、実施例１の変形例３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、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。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４］
図７（ｂ）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（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ほぼ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１、２において、実施例１の変形例３と同様に空隙３０を形成してもよく、実施例１の変形例４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１の変形例４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。共振領域５０を含む音響反射層は、空隙３０または音響反射膜３１を含めばよい。

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ィルタおよびデュプレクサの例である。図８（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図８（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つの共振器に実施例１およびその変形例の圧電薄膜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８（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図８（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２のフィルタとすることができる。

マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリ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
２４ 周波数調整膜
２６ 付加膜
２８ 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

Claims (13)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極上に設けられ、窒化アルミニウムを主成分とし、窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素が添加された圧電膜と、
   前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する領域である共振領域が形成されるように設けられた上部電極と、
   前記共振領域における前記圧電膜上に設けられ、アルゴン濃度が前記圧電膜のアルゴン濃度より低く、窒化アルミニウムを主成分とする付加膜と、
   前記基板と前記下部電極との間に設けられ、前記圧電膜内に励振された弾性波を反射する音響反射層と、
   を備える圧電薄膜共振器。
2. 前記付加膜は、前記窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素が実質的に添加されていない請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
3. 前記窒素、アルミニウムおよびアルゴン以外から選択される元素は、スカンジウムもしくはボロン、または、２族元素もしくは１２族元素と４族元素もしくは５族元素とである請求項１または２に記載の圧電薄膜共振器。
4. 基板と、
   前記基板上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極上に設けられ、残留応力が圧縮応力である圧電膜と、
   前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する領域である共振領域が形成されるように設けられた上部電極と、
   前記共振領域における前記圧電膜上に設けられ、残留応力が引張応力である付加膜と、
   前記基板と前記下部電極との間に設けられ、前記圧電膜内に励振された弾性波を反射する音響反射層と、
   を備える圧電薄膜共振器。
5. 前記付加膜は前記上部電極上に設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
6. 前記付加膜は、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４のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
7. 前記上部電極上に設けられた前記付加膜の材料と異なる材料からなる絶縁膜を更に備え、
   前記付加膜は、前記上部電極と前記絶縁膜との間に設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
8. 前記付加膜は、前記共振領域内のうち少なくとも中央領域における前記圧電膜上に設けられている請求項１から７のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
9. 前記付加膜のヤング率は、前記下部電極および前記上部電極内の少なくとも１つの層のヤング率より大きい請求項１から８のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
10. 前記付加膜の膜厚は、前記圧電膜の膜厚の８％以上である請求項１から９のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
11. 前記音響反射層は空隙であり、
    前記上部電極が前記共振領域から引き出される領域における前記下部電極の端は、前記空隙と前記圧電膜との間に位置する請求項１から１０のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
12. 請求項１から１１いずれか一項に記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
13. 請求項１２に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。

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