JP2020155896A - 圧電薄膜共振器、弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents

Abstract

【課題】積層膜の劣化を抑制すること。【解決手段】基板１０と、前記基板１０との間に空隙３０を挟み設けられた下部電極１２と、前記下部電極１２上に設けられた圧電膜１４と、前記圧電膜１４上に設けられ、前記空隙１６と重なり、前記圧電膜１４の少なくとも一部を挟み前記下部電極１２と対向する共振領域５０を形成するように設けられた上部電極１６と、前記空隙３０内に設けられ、前記下部電極１２と間隔を空けて設けられ、水素を吸着または貯蔵する吸着膜１５と、を備える圧電薄膜共振器。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電薄膜共振器、弾性波デバイス、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。共振領域内の下部電極の下には共振領域における振動を制限しないように空隙が設けられる。上部電極が空気または湿気にさらされることを抑制するため、上部電極上に保護膜を設けることが知られている（例えば特許文献１）

特開２００４−６４７８５号公報

しかしながら、下部電極と圧電膜とが剥離するなどの積層膜の劣化が生じることがある。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、積層膜の劣化を抑制することを目的とする。

本発明は、基板と、前記基板との間に空隙を挟み設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜上に設けられ、前記空隙と重なり、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と対向する共振領域を形成するように設けられた上部電極と、前記空隙内に設けられ、前記下部電極と間隔を空けて設けられ、水素を吸着または貯蔵する吸着膜と、を備える圧電薄膜共振器である。

上記構成において、前記吸着膜は、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、ニッケルおよびパラジウムの少なくとも１つ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、前記圧電膜は窒化アルミニウムを主成分とし、前記下部電極および前記上部電極の少なくとも一方の前記圧電膜に接する金属膜はルテ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、前記圧電膜は窒化アルミニウムを主成分とし、前記下部電極の前記圧電膜に接する金属膜はルテ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、前記下部電極には外部から前記空隙に通ずる孔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と、前記圧電薄膜共振器を閉じた空間である空隙内に封止する封止部と、を備える弾性波デバイスである。

上記構成において、前記基板は、基体上に前記上部電極が前記基体に前記閉じた空間である空隙を挟み対向するように実装され、前記封止部は前記基板を囲むように設けられ、前記封止部は金属からな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、積層膜の劣化を抑制することができる。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの平面図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、図１（ａ）のそれぞれＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。 図３は、比較例１に係る圧電薄膜共振器のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。 図４（ａ）および図４（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５は、実施例２に係る弾性波デバイスの断面図である。 図６（ａ）は、実施例３に係るフィルタの回路図、図６（ｂ）は、実施例３の変形例１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）および図１（ｂ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの平面図であり、図２（ａ）および図２（ｂ）は、図１（ａ）のそれぞれＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。図１（ａ）は、基板１０、下部電極１２および上部電極１６を主に示し、図１（ｂ）は、基板１０、吸着膜２５および空隙３０を主に示す。

図１（ａ）から図２（ｂ）に示すように、基板１０上に、空隙３０を挟み下部電極１２が設けられている。基板１０は例えばシリコン基板である。空隙３０はドーム状の膨らみを有する。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は例えばクロム（Ｃｒ）膜であり、上層１２ｂは例えばルテニウム（Ｒｕ）膜である。

下部電極１２上に、（０００１）方向を主軸とする（すなわちＣ軸配向性を有する）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の少なくとも一部を挟み下部電極１２と対向する共振領域５０を形成するように圧電膜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と重なり共振領域５０より大きく設けられる。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は例えばルテニウム膜であり、上層１６ｂは例えばクロム膜である。

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は例えばチタン（Ｔｉ）膜である。質量負荷膜２０により圧電薄膜共振器間の共振周波数の差を設定する。上部電極１６上に保護膜２４が設けられている。保護膜２４は例えば酸化シリコン膜である。保護膜２４は下部電極１２、上部電極１６および圧電膜１４を外気から保護する。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、質量負荷膜２０および保護膜２４を含む。下部電極１２および上部電極１６上に各々金属層２６が設けられている。金属層２６は例えば基板１０側からチタン（Ｔｉ）膜および金（Ａｕ）である。金属層２６は、例えば下部電極１２および上部電極１６に接続する配線である。

図１（ａ）および図２（ｂ）に示すように、共振領域５０外において下部電極１２を貫通する孔３４が設けられている。孔３４は導入路３５を介し空隙３０に通じている。孔３４および導入路３５は、空隙３０内の犠牲層をエッチングするときのエッチング液を導入させる通路である。孔３４は保護膜２４に覆われていてもよいし、覆われていなくてもよい。

空隙３０内の基板１０上に吸着膜２５が設けられている。吸着膜２５は例えばチタンを主成分とする。吸着膜２５は空隙３０内の水素ガスを吸着する。吸着膜２５は下部電極１２とは電気的に絶縁されており、例えば浮遊電位である。

基板１０としては、シリコン基板以外に、サファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、石英基板、水晶基板、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、ルテニウムおよびクロム以外にもアルミニウム（Ａｌ）、チタン、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはイリジウム（Ｉｒ）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。

圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）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、スカンジウム（Ｓｃ）、２族元素と４族元素との２つの元素、または２族元素と５族元素との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族元素は、例えばカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ストロンチウム（Ｓｒ）または亜鉛（Ｚｎ）である。４族元素は、例えばチタン、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、ニオブ（Ｎｂ）またはバナジウム（Ｖ）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、ボロン（Ｂ）を含んでもよい。

質量負荷膜２０としては、チタン膜以外にも、下部電極１２および上部電極１６として例示した金属膜、または窒化シリコンまたは酸化シリコン等の絶縁膜を用いることもできる。保護膜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膜等を用いることができる。

吸着膜２５としては、水素を吸着または貯蔵する材料として、チタン以外にもジルコニウム、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）またはパラジウム（Ｐｄ）を主成分とする膜、チタン合金膜、ニッケル合金膜またはこれらの積層膜を用いることができる。

［比較例１］
図３は、比較例１に係る圧電薄膜共振器のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。図３に示すように、比較例１では、吸着膜が設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

比較例１に係る圧電薄膜共振器を作製した。作製条件は以下である。
基板１０：シリコン基板
下部電極１２の下層１２ａ：厚さが７０ｎｍのクロム膜
下部電極１２の上層１２ｂ：厚さが２５０ｎｍのルテニウム膜
圧電膜１４：厚さが９７０ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６の下層１６ａ：厚さが１２０ｎｍのルテニウム膜
上部電極１６の上層１６ｂ：厚さが５ｎｍのクロム膜
質量負荷膜２０：厚さが１５ｎｍのチタン膜
保護膜２４：厚さが７０ｎｍの酸化シリコン膜

比較例１では、下部電極１２と圧電膜１４との間が剥がれることがある。そこで、比較例１に係る圧電薄膜共振器を、水素ガスが１００％、圧力が２０ＭＰａおよび室温の雰囲気中に６時間曝した。その結果、下部電極１２と圧電膜１４との間の剥がれが生じることがわかった。

以上の実験結果から、下部電極１２と圧電膜１４との間の剥がれは水素ガスに起因すると考えられる。例えば圧電薄膜共振器を実装するパッケージ内には半田、金および／または銅等の金属が存在する。これらの金属が水素を吸着または含んでいると、金属から水素ガスが発生すると考えられる。特に、めっき法により形成された金属には多量の水素が含まれていることがある。

比較例１の圧電薄膜共振器において、水素ガスにより下部電極１２と圧電膜１４との間が剥がれる理由は明確ではないが、例えば以下のように考えられる。矢印６０のように外部の雰囲気中の水素ガスは孔３４および導入路３５を介し空隙３０内に導入される。孔３４は保護膜２４より塞がれていることもあるが、孔３４上の保護膜２４は膜質が悪いため水素は保護膜２４を容易に通過する。下部電極１２であるクロム膜およびルテニウム膜は水素を取り込みやすい。このため、矢印６２のように空隙３０内の水素は下部電極１２を通過する。水素は圧電膜１４内に取り込みにくいため下部電極１２と圧電膜１４との界面に蓄えられる。下部電極１２と圧電膜１４との界面の水素により下部電極１２と圧電膜１４との間の密着性を低下させる。例えば金属中の水素は水素脆化（Hydrogen Embrittlement）を生じさせることが知られている。圧電膜１４との界面付近の下部電極１２が水素脆化すると、下部電極１２と圧電膜１４との間に剥がれが生じる。

同様の剥がれが上部電極１６と圧電膜１４との間で生じない理由は明確ではないが、例えば以下のように考えられる。酸化シリコン膜または窒化シリコン膜のような無機絶縁膜は下部電極１２のような金属膜より水素を通過させにくい。このため、上部電極１６と圧電膜１４との間には水素が蓄えられず、上部電極１６と圧電膜１４との間で剥がれは生じない。

実施例１によれば、水素が吸着または貯蔵する吸着膜２５を、空隙３０内に下部電極１２と間隔を空けて設ける。これにより、吸着膜２５が空隙３０内の水素ガスを吸着するため、下部電極１２に水素が蓄積されず、下部電極１２と圧電膜１４との剥離といった積層膜１８の劣化を抑制できる。また、空隙３０内に吸着膜２５を設けることで、チップサイズの大型化を抑制できる。さらに、吸着膜２５により、空隙３０から基板１０への排熱効果を高めることができる。

比較例１では、下部電極１２と圧電膜１４との間の剥がれが問題であったが、空隙３０内の吸着膜２５は、上部電極１６と圧電膜１４との剥がれにも有効である。すなわち、吸着膜２５が空隙３０内の水素を吸着または貯蔵すれば、圧電薄膜共振器が封止された空間内の水素濃度が低下する。よって、上部電極１６と圧電膜１４との剥がれにも有効となる。このように、吸着膜２５は、水素に起因する積層膜１８の劣化に有効である。

吸着膜２５は、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、ニッケルおよびパラジウムの少なくとも１つを主成分とする。これにより、吸着膜２５は水素を吸着または貯蔵できる。なお、吸着膜２５がある元素を主成分とするとは、吸着膜２５が水素を吸着または貯蔵する程度にある元素を含むことであり、例えばある元素を５０原子％以上含むことである。

圧電膜１４は窒化アルミニウムを主成分とし、下部電極１２および上部電極１６の少なくとも一方の圧電膜１４に接する上層１２ｂまたは下層１６ａ（金属膜）はルテニウムを主成分とする。この場合、上層１２ｂまたは下層１６ａと圧電膜１４との間が剥がれやすくなる。よって、吸着膜２５を空隙３０内に設けることが有効である。なお、圧電膜１４は窒化アルミニウムを主成分とするおよび金属膜はルテニウムを主成分とするとは、吸着膜２５を設けないと圧電膜１４と下部電極１２とが剥がれる程度に圧電膜１４は窒化アルミニウムを含み金属膜はルテニウムを含むことであり、例えば圧電膜１４における窒素とアルミニウムとの合計の濃度は５０原子％以上であり、金属膜におけるルテニウムの濃度は５０原子％以上である。

さらに、圧電膜１４は窒化アルミニウムを主成分とし、下部電極１２の圧電膜に接する上層１６ｂはルテニウムを主成分とする場合、吸着膜２５が空隙３０内の水素を吸着または貯蔵するため、下部電極１２と圧電膜１４との剥がれを抑制できる。

下部電極１２には外部から空隙３０に通ずる孔３４および導入路３５が設けられている。これにより、空隙３０内に外部から水素が導入されやすい。よって、吸着膜２５を空隙３０内に設けることが有効である。

［実施例１の変形例１］
図４（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４（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。吸着膜２５は、空隙３０を形成する凹部の底面に設けられている。吸着膜２５は、空隙３０を形成する凹部の側面に設けられていてもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。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。この場合、吸着膜２５は、空隙３０を形成する貫通する孔の側面に設ければよい。

［実施例１の変形例２］
図４（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。圧電膜１４は、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。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。挿入膜２８は共振領域５０の中央領域に設けられておらず、共振領域５０を囲む少なくとも一部の領域であって共振領域５０の外周を含む領域に設けられている。共振領域５０から下部電極１２が引き出される領域では、下部圧電膜１４ａの端面は上部圧電膜１４ｂの端面の外側に位置する。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２のように、挿入膜２８が設けられていてもよい。

実施例１およびその変形例として、共振領域５０の平面形状は楕円形状の場合を例に説明したが、共振領域５０の平面形状は、四角形状または五角形状等の多角形状でもよい。

図５は、実施例２に係る弾性波デバイスの断面図である。図５に示すように、基板３２上に基板１０がフリップチップ実装されている。基板３２は積層された絶縁層３２ａおよび３２ｂを有している。絶縁層３２ａおよび３２ｂは、例えばセラミックス層または樹脂層である。絶縁層３２ａおよび３２ｂの上面にそれぞれ配線３３ｃおよび３３ｄが設けられている。絶縁層３２ａの下面に端子３９が設けられている。端子３９は圧電薄膜共振器３１を外部に接続するためのフッドパッドである。絶縁層３２ａおよび３２ｂを貫通するビア配線３３ａおよび３３ｂが設けられている。ビア配線３３ａ、３３ｂおよび配線３３ｃは内部配線３３を形成する。内部配線３３は配線３３ｄと端子３９とを電気的に接続する。基板３２の上面の周縁に環状金属層３７が設けられている。ビア配線３３ａ、３３ｂ、配線３３ｃ、３３ｄ、端子３９および環状金属層３７は、例えば銅層、金層、アルミニウム層および／またはニッケル層等の金属層である。

基板１０の下面に圧電薄膜共振器３１および配線４３が設けられている。圧電薄膜共振器３１は実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器である。積層膜１８と基板１０との間に空隙３０が設けられ、空隙３０内の基板１０の下面に吸着膜２５が設けられている。配線４３は圧電薄膜共振器の金属層２６である。

基板１０はバンプ３６を介し基板３２上面にフリップチップ実装（フェースダウン実装）されている。バンプ３６は、例えば金バンプ、半田バンプまたは銅バンプである。バンプ３６は、配線３３ｄおよび４３と接合する。圧電薄膜共振器３１は空隙３８を介し基板３２の上面に対向する。

基板１０を囲むように封止部４４が設けられている。封止部４４は、例えば半田等の金属または樹脂である。環状金属層３７に接合する。封止部４４および基板１０の上面にリッド４５が設けられている。リッド４５は、例えばコバール板等の金属板または絶縁板である。リッド４５および封止部４４を覆うように保護膜４６が設けられている。保護膜４６は例えばニッケル膜等の金属膜または絶縁膜である。

実施例２では、封止部４４等が圧電薄膜共振器３１を閉じた空間である空隙３８内に封止する。空隙３８に接する部材が水素を吸着または含んでいると空隙３８内の水素濃度が高くなる。これにより、積層膜１８が劣化する可能性がある。そこで、圧電薄膜共振器３１を実施例１およびその変形例１の圧電薄膜共振器のように、空隙３０内に吸着膜２５を設ける。これにより、積層膜１８の劣化を抑制できる。

特に、基板１０は、基板３２（基体）上に積層膜１８が基板３２に空隙３８を挟み対向するように実装され、封止部４４は基板１０を囲むように設けられている。この場合、封止部４４が金属からなると、封止部４４が大量の水素を発生させることが考えられる。特に、封止部４４がめっき法により形成されていると封止部４４は大量の水素を含んでいる。よって、圧電薄膜共振器３１を実施例１およびその実施例とすることが好ましい。

弾性波デバイスとして、圧電薄膜共振器３１を閉じた空間である空隙３８に封止する構造であれよい。例えば、基板１０は圧電基板であり、圧電基板上に弾性表面波素子が設けられていてもよい。基板１０の上面と基板１０の下面とが環状金属層を介し接合され、環状金属層が空隙に圧電薄膜共振器を封止してもよい。

実施例３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６（ａ）は、実施例３に係るフィルタの回路図である。図６（ａ）に示すように、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔ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Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔ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６（ｂ）は、実施例３の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図６（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
１６ 上部電極
１８ 積層膜
２４ 保護膜
２５ 吸着膜
３０ 空隙
３４ 孔
３５ 導入路
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
４４ 封止部

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板との間に空隙を挟み設けられた下部電極と、
   前記下部電極上に設けられた圧電膜と、
   前記圧電膜上に設けられ、前記空隙と重なり、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と対向する共振領域を形成するように設けられた上部電極と、
   前記空隙内に設けられ、前記下部電極と間隔を空けて設けられ、水素を吸着または貯蔵する吸着膜と、
   を備える圧電薄膜共振器。
2. 前記吸着膜は、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、ニッケルおよびパラジウムの少なくとも１つを主成分とする請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
3. 前記圧電膜は窒化アルミニウムを主成分とし、前記下部電極および前記上部電極の少なくとも一方の前記圧電膜に接する金属膜はルテニウムを主成分とする請求項１または２に記載の圧電薄膜共振器。
4. 前記圧電膜は窒化アルミニウムを主成分とし、前記下部電極の前記圧電膜に接する金属膜はルテニウムを主成分とする請求項１または２に記載の圧電薄膜共振器。
5. 前記下部電極には外部から前記空隙に通ずる孔が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. 請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器と、
   前記圧電薄膜共振器を閉じた空間である空隙内に封止する封止部と、
   を備える弾性波デバイス。
7. 前記基板は、基体上に前記上部電極が前記基体に前記閉じた空間である空隙を挟み対向するように実装され、前記封止部は前記基板を囲むように設けられ、前記封止部は金属からなる請求項６に記載の弾性波デバイス。
8. 請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
9. 請求項８に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。

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