JP2021150922A - 圧電薄膜共振器、フィルタ、及びマルチプレクサ - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電膜の破損が抑制された圧電薄膜共振器を提供する。【解決手段】圧電薄膜共振器１００は、基板１０と、基板１０上に設けられた支持層１８と、支持層１８上に設けられた下部電極１２と、下部電極１２上に設けられ、第１線膨張係数を有し、第１線膨張係数と基板１０の第２線膨張係数との差の絶対値よりも第１線膨張係数と支持層１８の第３線膨張係数との差の絶対値が小さい圧電膜１４と、圧電膜１４上に設けられ、基板１０と下部電極１２との間に形成された空隙３０および下部電極１２に平面視において重なる上部電極１６とを備える。【選択図】図１
Description
本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタ、及びマルチプレクサに関する。
携帯電話等の無線端末の高周波回路用のフィルタ及びマルチプレクサとして圧電薄膜共振器を用いたフィルタ及びマルチプレクサが使用されている。圧電薄膜共振器は、基板上に下部電極と圧電膜と上部電極が積層され、基板と下部電極との間に形成された空隙上において下部電極と上部電極が圧電膜を挟んで向かい合う構造をしている（例えば、特許文献１）。
圧電薄膜共振器の温度上昇に伴う基板の膨張によって圧電膜に破損が起こることがある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電膜の破損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支持層と、前記支持層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられ、第１線膨張係数を有し、前記第１線膨張係数と前記基板の第２線膨張係数との差の絶対値よりも前記第１線膨張係数と前記支持層の第３線膨張係数との差の絶対値が小さい圧電膜と、前記圧電膜上に設けられ、前記基板と前記下部電極との間に形成された空隙および前記下部電極に平面視において重なる上部電極と、を備える圧電薄膜共振器である。
上記構成において、前記支持層の第３線膨張係数は前記基板の第２線膨張係数よりも小さい構成とすることができる。
上記構成において、前記基板は前記支持層よりもヤング率が大きい構成とすることができる。
上記構成において、前記支持層は前記基板よりも熱伝導率が大きい構成とすることができる。
上記構成において、前記基板は前記支持層よりも体積抵抗率が大きい構成とすることができる。
上記構成において、前記基板はサファイアであり、前記支持層はシリコンである構成とすることができる。
本発明は、複数の圧電薄膜共振器を備え、前記複数の圧電薄膜共振器のうち少なくとも１つの圧電薄膜共振器は上記に記載の圧電薄膜共振器であるフィルタである。
上記構成において、前記複数の圧電薄膜共振器のうち２以上の圧電薄膜共振器が上記に記載の圧電薄膜共振器であり、前記２以上の圧電薄膜共振器の前記支持層は互いに離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２以上の圧電薄膜共振器の前記支持層は前記基板に設けられた凹部に埋め込まれている構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の圧電薄膜共振器のうち圧電膜を挟み下部電極と上部電極が向かい合う領域である共振領域が最も大きい圧電薄膜共振器は上記に記載の圧電薄膜共振器である構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の圧電薄膜共振器のうち前記共振領域が最も小さい圧電薄膜共振器は、上面に前記支持層が設けられていない基板上に下部電極と圧電膜と上部電極が設けられた圧電薄膜共振器である構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の圧電薄膜共振器は、入力端子と出力端子との間に直列に接続された複数の直列共振器を含み、前記複数の直列共振器のうち前記入力端子の最も近くで前記入力端子と前記出力端子との間に接続される共振器は上記に記載の圧電薄膜共振器である構成とすることができる。
本発明は、上記に記載のフィルタを含むマルチプレクサである。
本発明によれば、圧電膜の破損を抑制できる。
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、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ａ）は、主に下部電極１２及び上部電極１６を図示している。図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して、実施例１の圧電薄膜共振器１００は、基板１０上に支持層１８が設けられている。支持層１８は例えば基板１０の上面に接して設けられている。基板１０は、例えばサファイア基板であり、その厚さは例えば３０μｍ〜５０μｍである。支持層１８は、例えばシリコン（Ｓｉ）層であり、その厚さは例えば２０μｍ〜３０μｍである。サファイア基板は単結晶のＡｌ２Ｏ３を主成分とする基板である。シリコン層は単結晶又は多結晶のＳｉを主成分とする層である。主成分とするとは、上記に記載した原子の合計が５０原子％以上である場合でもよいし、８０原子％以上である場合でもよい。
支持層１８上に下部電極１２が設けられている。支持層１８の平坦上面と下部電極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の周辺で空隙３０の高さが低く、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を含み、厚さが例えば１０ｎｍ〜４００ｎｍである。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。
支持層１８上及び下部電極１２上に圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は、支持層１８上及び下部電極１２上に設けられた下部圧電膜１４ａと、下部圧電膜１４ａ上に設けられた上部圧電膜１４ｂと、を含む。下部圧電膜１４ａ及び上部圧電膜１４ｂはそれぞれ、例えばｃ軸配向性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とし、その厚さは例えば３０ｎｍ〜７００ｎｍである。主成分とするとは、上記に記載した原子の合計が５０原子％以上である場合でもよいし、８０原子％以上である場合でもよい。
基板１０はサファイア基板、支持層１８はシリコン層、圧電膜１４は窒化アルミニウム膜である。サファイアの線膨張係数は７．３×１０−６／Ｋ、シリコンの線膨張係数は３．９×１０−６／Ｋ、窒化アルミニウムの線膨張係数は４．０×１０−６／Ｋである。したがって、圧電膜１４の線膨張係数である第１線膨張係数と支持層１８の線膨張係数である第３線膨張係数の差の絶対値は、第１線膨張係数と基板１０の線膨張係数である第２線膨張係数の差の絶対値よりも小さくなっている。また、第３線膨張係数は第２線膨張係数よりも小さくなっている。
圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。上部電極１６は空隙３０及び下部電極１２に平面視において重なっている。上部電極１６は、下層１６ａ及び上層１６ｂを含み、厚さが例えば１０ｎｍ〜４００ｎｍである。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。共振領域５０は、圧電膜１４を挟み下部電極１２と上部電極１６とが対向する領域で規定される。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励振する領域である。平面視において共振領域５０は空隙３０に重なり、空隙３０は共振領域５０と同じか大きい。すなわち、平面視において共振領域５０の全ては空隙３０と重なる。共振領域５０は、楕円形状を有する場合に限らず、四角形又は五角形等の多角形状等を有していてもよい。
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、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜であり、その厚さは例えば１０ｎｍ〜２００ｎｍである。挿入膜２８は、共振領域５０内の中央領域５４には設けられてなく、共振領域５０内において中央領域５４を囲み共振領域５０の外周に沿う外周領域５２に設けられている。挿入膜２８は、中央領域５４を囲む外周領域５２のうち少なくとも一部の領域に設けられていればよい。
引出領域６０及び６２はそれぞれ、下部電極１２及び上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域である。引出領域６０では共振領域５０の外周は上部電極１６の外周により規定され、下部電極１２の外周は共振領域５０の外周より外側に位置する。引出領域６２では共振領域５０の外周は下部電極１２の外周により規定され、上部電極１６の外周は共振領域５０の外周より外側に位置する。これにより、下部電極１２と上部電極１６の位置合わせがずれても共振領域５０の面積の変化を小さくできる。
引出領域６０では、下部圧電膜１４ａの端面６４及び上部圧電膜１４ｂの端面６６は共振領域５０の外周より外側に位置する。下部圧電膜１４ａの端面６４と上部圧電膜１４ｂの端面６６とは略一致している。下部圧電膜１４ａの端面６４は上部圧電膜１４ｂの端面６６より外側に位置していてもよい。
上部電極１６及び圧電膜１４を覆うように保護膜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り、その厚さは例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍである。保護膜２４は、周波数を調整する周波数調整膜として機能してもよい。
下部電極１２には犠牲層をエッチングするための導入路３２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３２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３２の先端に孔部３４を有する。
基板１０として、サファイア基板以外にスピネル基板を用いることができる。支持層１８として、シリコン層以外に炭化シリコン（ＳｉＣ）層を用いることができる。下部電極１２及び上部電極１６として、ルテニウム及びクロム以外にも、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、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）、又はイリジウム（Ｉｒ）等の単層膜又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）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、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。酸化亜鉛の線膨張係数は３．２〜３．９×１０−６／Ｋであり、窒化ガリウムの線膨張係数は３．１〜５．６×１０−６／Ｋであり、チタン酸ジルコン酸鉛の線膨張係数は７．０〜９．０×１０−６／Ｋであり、チタン酸鉛の線膨張係数は４．３〜４．７×１０−６／Ｋである。また、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、共振特性の向上又は圧電性の向上のために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族元素若しくは１２族元素と４族元素との２つの元素、又は２族元素若しくは１２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）であり、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、ジルコニウム（Ｚｒ）、又はハフニウム（Ｈｆ）である。５族元素は例えばタンタル、ニオブ（Ｎｂ）、又はバナジウム（Ｖ）である。更に、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、弗素（Ｆ）又はホウ素（Ｂ）を含んでもよい。
挿入膜２８は、圧電膜１４よりもヤング率及び／又は音響インピーダンスが小さい。挿入膜２８は、酸化シリコン以外に、アルミニウム、金（Ａｕ）、銅、チタン、白金、タンタル、又はクロム等の単層膜又はこれらの積層膜を用いることができる。保護膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも、窒化シリコン膜又は窒化アルミニウム膜等の窒化金属膜又は酸化金属膜を用いることができる。
［製造方法］
図２（ａ）から図２（ｄ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）を参照して、基板１０上に支持層１８をスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜する。支持層１８上に犠牲層３８をスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用い成膜する。犠牲層３８は、例えば厚さが１０ｎｍ〜１００ｎｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）等である。その後、犠牲層３８をフォトリソグラフィ法及びエッチング法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る。犠牲層３８及び支持層１８上に下部電極１２として下層１２ａ及び上層１２ｂをスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用い成膜する。その後、下部電極１２をフォトリソグラフィ法及びエッチング法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２（ａ）から図２（ｄ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）を参照して、基板１０上に支持層１８をスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜する。支持層１８上に犠牲層３８をスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用い成膜する。犠牲層３８は、例えば厚さが１０ｎｍ〜１００ｎｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）等である。その後、犠牲層３８をフォトリソグラフィ法及びエッチング法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る。犠牲層３８及び支持層１８上に下部電極１２として下層１２ａ及び上層１２ｂをスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用い成膜する。その後、下部電極１２をフォトリソグラフィ法及びエッチング法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２（ｂ）を参照して、下部電極１２上及び支持層１８上に下部圧電膜１４ａをスパッタリング法又は真空蒸着法を用い成膜する。下部圧電膜１４ａ上に挿入膜２８をスパッタリング法、真空蒸着法、又は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法及びエッチング法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２（ｃ）を参照して、挿入膜２８上及び下部圧電膜１４ａ上に上部圧電膜１４ｂをスパッタリング法又は真空蒸着法を用い成膜する。下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂにより圧電膜１４が形成される。圧電膜１４上に上部電極１６として下層１６ａ及び上層１６ｂをスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用い成膜する。その後、上部電極１６をフォトリソグラフィ法及びエッチング法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。上部電極１６上及び上部圧電膜１４ｂ上に保護膜２４をスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用い成膜する。その後、保護膜２４をフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。保護膜２４はリフトオフ法により形成してもよい。
図２（ｄ）を参照して、上部圧電膜１４ｂ及び下部圧電膜１４ａをフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。孔部３４及び導入路３２（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、下部電極１２と支持層１８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。
［比較例１］
図３は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図３を参照して、比較例１の圧電薄膜共振器１０００では、基板１０上に支持層１８が設けられてなく、下部電極１２及び圧電膜１４は基板１０上に設けられている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
図３は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図３を参照して、比較例１の圧電薄膜共振器１０００では、基板１０上に支持層１８が設けられてなく、下部電極１２及び圧電膜１４は基板１０上に設けられている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
比較例１では、下部電極１２及び圧電膜１４は、支持層１８が設けられていない基板１０上に形成されている。基板１０はサファイア基板、圧電膜１４は窒化アルミニウム膜であり、サファイアの線膨張係数は７．３×１０−６／Ｋ、窒化アルミニウムの線膨張係数は４．０×１０−６／Ｋであることから、圧電膜１４と基板１０との線膨張係数の差は大きい。したがって、圧電薄膜共振器の温度が上昇して基板１０が熱膨張した場合に、圧電膜１４に応力が掛かり、圧電膜１４にクラック等の破損が生じることがある。
一方、実施例１によれば、基板１０上に支持層１８が設けられ、支持層１８上に下部電極１２及び圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４の線膨張係数と支持層１８の線膨張係数の差の絶対値は、圧電膜１４の線膨張係数と基板１０の線膨張係数の差の絶対値よりも小さい。このため、圧電薄膜共振器が温度上昇して基板１０及び支持層１８が熱膨張した場合でも、圧電膜１４に掛かる応力が低減される。よって、圧電膜１４の破損を抑制できる。圧電膜１４の破損を抑制する点から、圧電膜１４の線膨張係数と支持層１８の線膨張係数の差の絶対値は、圧電膜１４の線膨張係数と基板１０の線膨張係数の差の絶対値の１／２以下の場合が好ましく、１／４以下の場合がより好ましく、１／６以下の場合が更に好ましい。
支持層１８の熱膨張を小さく抑える点から、支持層１８の線膨張係数は基板１０の線膨張係数よりも小さい場合が好ましい。例えば、支持層１８の線膨張係数は、基板１０の線膨張係数の１／１．５以下の場合が好ましく、１／２以下の場合がより好ましく、１／２．５以下の場合が更に好ましい。
［比較例２］
図４は、比較例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図４を参照して、比較例２の圧電薄膜共振器１１００では、基板９０上に下部電極１２が設けられている。基板９０は、支持層１８と同じ材料で形成され、例えばシリコン基板である。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
図４は、比較例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図４を参照して、比較例２の圧電薄膜共振器１１００では、基板９０上に下部電極１２が設けられている。基板９０は、支持層１８と同じ材料で形成され、例えばシリコン基板である。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
比較例２では、基板１０の代わりに支持層１８と同じ材料で形成された基板９０を用いている。基板９０がシリコン基板である場合、シリコンはサファイアに比べてヤング率が小さい（サファイアのヤング率が３３５ＧＰａに対して、シリコンのヤング率は１９０ＧＰａ）ため、強度を確保するために基板９０が厚くなる。このため、圧電薄膜共振器の低背化が難しい。
このことから、実施例１において、基板１０は支持層１８よりもヤング率が大きい場合が好ましい。これにより、基板１０をそれほど厚くしなくても強度を確保することができるようになり、圧電薄膜共振器を低背化することができる。低背化の点から、基板１０のヤング率は、支持層１８のヤング率の１．３倍以上の場合が好ましく、１．５倍以上の場合がより好ましく、２倍以上の場合が更に好ましい。
また、支持層１８は基板１０よりも熱伝導率が大きい場合が好ましい。これにより、下部電極１２、圧電膜１４、及び上部電極１６で生じた熱が支持層１８に放熱され易くなり、圧電薄膜共振器の電気特性の劣化を抑制できる。例えば基板１０がサファイア基板、支持層１８がシリコン層である場合、サファイアの熱伝導率は２７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるのに対し、シリコンの熱伝導率は１５７Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。放熱性の向上の点から、支持層１８の熱伝導率は、基板１０の熱伝導率の３倍以上の場合が好ましく、５倍以上の場合がより好ましく、７倍以上の場合が更に好ましい。
また、基板１０は支持層１８よりも体積抵抗率が大きい場合が好ましい。これにより、圧電薄膜共振器の非線形性を改善でき、電気特性の劣化を抑制することができる。例えば、基板１０がサファイア基板、支持層１８がシリコン層である場合、シリコンの体積抵抗率は１０４Ω・ｃｍ程度であるのに対し、サファイアの体積抵抗率は１０１６Ω・ｃｍである。非線形性の点から、基板１０の体積抵抗率は、支持層１８の体積抵抗率よりも３桁以上大きい場合が好ましく、５桁以上大きい場合がより好ましく、７桁以上大きい場合が更に好ましい。
以上のことから、低背化の実現及び電気特性の改善の点から、基板１０はサファイア基板で、支持層１８はシリコン層である場合が好ましい。
下部電極１２の下にドーム状の空隙３０が形成される場合、下部電極１２、圧電膜１４、及び上部電極１６に圧縮応力が掛かっている。このため、圧電膜１４に更なる応力が掛かるとクラック等の破損が起こり易くなってしまう。したがって、ドーム状の空隙３０が形成される場合では、基板１０上に支持層１８を設け、支持層１８上に下部電極１２及び圧電膜１４を設けることが好ましい。
また、圧電膜１４の弾性定数の温度係数の符号とは反対の符号である弾性定数の温度係数を有する温度補償膜が下部電極１２及び／又は上部電極１６に設けられていてもよい。
［実施例１の変形例］
図５（ａ）は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して、実施例１の変形例１の圧電薄膜共振器１１０では、基板１０の上面に凹部２０が形成され、支持層１８は凹部２０に埋め込まれている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
図５（ａ）は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して、実施例１の変形例１の圧電薄膜共振器１１０では、基板１０の上面に凹部２０が形成され、支持層１８は凹部２０に埋め込まれている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
実施例１の変形例１の圧電薄膜共振器１１０は、実施例１の図２（ａ）の工程において以下の工程を実施することで、実施例１の図２（ａ）から図２（ｄ）と同様の方法によって形成できる。図２（ａ）の工程において、基板１０の上面にフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて凹部２０を形成する。基板１０の上面に凹部２０を埋め込むように支持層１８をスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用い成膜する。基板１０の上面が露出するまでＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて支持層１８を除去する。その後、支持層１８上に犠牲層３８及び下部電極１２を形成する。
実施例１の変形例１のように、支持層１８は基板１０に形成された凹部２０に埋め込まれていてもよい。この場合、支持層１８の上面と基板１０の凹部２０の周りの上面とは略同一面である場合が好ましい。
図６（ａ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面図、図６（ｂ）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６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して、実施例１の変形例２の圧電薄膜共振器１２０及び変形例３の圧電薄膜共振器１３０では、支持層１８の上面に窪みが形成されている。下部電極１２は支持層１８上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０が支持層１８の窪みにより形成されている。空隙３０は、図６（ａ）のように支持層１８を貫通して形成されていてもよいし、図６（ｂ）のように支持層１８を貫通せずに形成されていてもよい。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。
実施例１の変形例２及び変形例３においても、実施例１の変形例１と同様に、支持層１８は基板１０に形成された凹部に埋め込まれていてもよい。
図７は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図７を参照して、実施例２のフィルタ２００は、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１又は複数の直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続され、１又は複数の並列共振器Ｐ１、Ｐ２が並列に接続されている。なお、共振器の個数は適宜設定できる。
実施例２のフィルタ２００において、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２の少なくとも１つの共振器に実施例１から実施例１の変形例３の圧電薄膜共振器を用いることができる。
図８は、実施例２に係るフィルタの第１の例を示す平面図である。図８では、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２の全てに実施例１の圧電薄膜共振器１００を用いている。図８を参照して、フィルタ２００ａでは、基板１０の上面のうち少なくとも直列共振器Ｓ１からＳ４、並列共振器Ｐ１、Ｐ２、及び配線７０が設けられる領域全体にわたって支持層１８が設けられている。基板１０の上面全面に支持層１８が設けられていてもよい。支持層１８上に直列共振器Ｓ１からＳ４、並列共振器Ｐ１、Ｐ２、及び配線７０が設けられている。配線７０は共振器間を接続する。また、配線７０は、入力パッドＰｉｎ、出力パッドＰｏｕｔ、及びグランドパッドＰｇｎｄを含む。入力パッドＰｉｎ、出力パッドＰｏｕｔ、及びグランドパッドＰｇｎｄは、それぞれ入力端子、出力端子、及びグランド端子に電気的に接続されている。直列共振器Ｓ１からＳ４は、入力パッドＰｉｎと出力パッドＰｏｕｔとの間の経路に配線７０により直列に接続されている。並列共振器Ｐ１、Ｐ２は、一端が入力パッドＰｉｎと出力パッドＰｏｕｔとの間の経路に配線７０により電気的に接続され、他端がグランドパッドＰｇｎｄに配線７０により電気的に接続されている。
フィルタ２００ａによれば、基板１０の上面のうち少なくとも直列共振器Ｓ１からＳ４、並列共振器Ｐ１、Ｐ２、及び配線７０が設けられる領域全体にわたって支持層１８が設けられている。例えば、各共振器において基板１０上に設けられた支持層１８が互いに離れている場合、配線７０は支持層１８の端に形成される段差を跨ぐことで断線が起こることがある。しかしながら、フィルタ２００ａでは、段差が形成され難くなるため、配線７０の断線が起こり難くなる。
フィルタ２００ａにおいて、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２は、実施例１の圧電薄膜共振器１００の場合に限られない。例えば、支持層１８は基板１０の上面に形成された凹部に埋め込まれていてもよい。また、空隙３０は、支持層１８の平坦上面上に形成されたドーム型の場合に限らず、支持層１８に形成された窪みにより形成されていてもよい。
図９は、実施例２に係るフィルタの第２の例を示す平面図である。図９では、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２の全てに実施例１の変形例１の圧電薄膜共振器１１０を用いている。図９を参照して、フィルタ２００ｂでは、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２の支持層１８は基板１０の上面に形成された凹部に埋め込まれていて互いに離れている。その他の構成は図８のフィルタ２００ａと同じであるため説明を省略する。
フィルタ２００ｂによれば、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２の支持層１８は互いに離れている。支持層１８と基板１０は異なる材料で形成されていて音速が異なることから、各共振器で励振されて支持層１８に漏れた弾性波が他の共振器に伝搬することが抑制される。弾性波の伝搬を抑制する点から、基板１０の音響インピーダンスは支持層１８の音響インピーダンスよりも大きい場合が好ましい。
各共振器が実施例１の変形例１の圧電薄膜共振器１１０である場合、図５（ａ）及び図５（ｂ）のように各共振器の支持層１８は基板１０の凹部２０に埋め込まれているため、支持層１８により形成される段差が小さくなる。よって、配線７０の断線が起こり難くなる。
フィルタ２００ｂにおいて、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２は、実施例１の変形例１の圧電薄膜共振器１１０の場合に限られない。例えば、各共振器の基板１０の上面は略平坦であり、支持層１８は基板１０の略平坦な上面に形成されていてもよい。また、空隙３０は、支持層１８の平坦上面上に形成されたドーム型の場合に限らず、支持層１８に形成された窪みにより形成されていてもよい。
図８及び図９のように、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２には、共振領域５０の面積が互いに異なる圧電薄膜共振器が用いられる。これは、共振領域５０の面積は様々な特性に影響を与えるため、これらを適切に組み合わせて所望のフィルタ特性を得るためである。例えば、共振領域５０の面積を大きくすることで共振領域５０の面積が小さい場合に比べて共振周波数のＱ値が高くなる。反対に、共振領域５０の面積を小さくすることで共振領域５０の面積が大きい場合に比べて反共振周波数のＱ値が高くなる。また、共振領域５０の面積を大きくすることで共振領域５０の面積が小さい場合に比べて電気機械結合係数が大きくなる。共振領域５０の面積を大きくすることで共振領域５０の面積が小さい場合に比べて耐電力性が向上する。共振領域５０の面積を小さくすることで共振領域５０の面積が大きい場合に比べて圧電膜のクラック発生率が低減する。
このような共振領域５０の面積が様々な直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２のうちの一部の共振器のみに実施例１から実施例１の変形例３の圧電薄膜共振器を用いてもよい。
図１０は、実施例２に係るフィルタの第３の例を示す平面図である。図１０を参照して、フィルタ２００ｃでは、直列共振器Ｓ１、Ｓ４及び並列共振器Ｐ１に実施例１から実施例１の変形例３の圧電薄膜共振器を用いている。直列共振器Ｓ２、Ｓ３及び並列共振器Ｐ２には、支持層１８が設けられていない比較例１の圧電薄膜共振器１０００を用いている。その他の構成は図８のフィルタ２００ａと同じであるため説明を省略する。
フィルタ２００ｃによれば、並列共振器Ｐ１に実施例１から実施例１の変形例３の圧電薄膜共振器を用いている。並列共振器Ｐ１は、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２のうち共振領域５０の面積が最も大きい共振器である。共振領域５０の面積が大きい共振器ほど、圧電膜１４に応力が掛かった場合にクラック等の破損が起こり易くなる。したがって、フィルタ２００ｃのように、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２のうち共振領域５０が最も大きい並列共振器Ｐ１に実施例１から実施例１の変形例３の圧電薄膜共振器を用いることが好ましい。
一方、共振領域５０が小さい共振器は、圧電膜１４に応力が掛かった場合でもクラック等の破損は起こり難い。したがって、フィルタ２００ｃのように、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２のうち共振領域５０が最も小さい直列共振器Ｓ３は、比較例１のような上面に支持層１８が設けられていない基板１０上に下部電極１２と圧電膜１４と上部電極１６が設けられた圧電薄膜共振器１０００を用いてもよい。基板１０がサファイア基板である場合、サファイアは体積抵抗率が大きいことから、圧電薄膜共振器の非線形性が改善され、フィルタ特性を向上させることができる。
直列共振器Ｓ１からＳ４のうち入力端子Ｔｉｎの最も近くで入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に接続される直列共振器Ｓ１に実施例１から実施例１の変形例３の圧電薄膜共振器を用いることが好ましい。支持層１８が基板１０よりも熱伝導率が大きい場合、圧電薄膜共振器の放熱性が向上する。入力端子Ｔｉｎに最も近い直列共振器Ｓ１には大きな電力が印加されるため、直列共振器Ｓ１の温度は高くなり易い。したがって、このような直列共振器Ｓ１を実施例１から実施例１の変形例３の圧電薄膜共振器とし、支持層１８を基板１０よりも熱伝導率を高くすることで、直列共振器Ｓ１の放熱性を向上できる。よって、直列共振器Ｓ１が高温となって破損及び／又は特性劣化することを抑制できる。
フィルタ２００ｃにおいて、直列共振器Ｓ１からＳ４及び並列共振器Ｐ１、Ｐ２の共振領域５０の面積の平均値を算出し、平均値よりも大きな共振領域５０を有する共振器に実施例１から実施例１の変形例３の圧電薄膜共振器を用いてもよい。支持層１８を用いずに形成した圧電薄膜共振器においてクラック等の破損が起こり易くなる共振領域５０の面積を予め求めておいて、この面積よりも大きな共振領域５０を有する共振器に実施例１から実施例１の変形例３の圧電薄膜共振器を用いてもよい。
図１１は、実施例３に係るデュプレクサの回路図である。図１１を参照して、実施例３のデュプレクサ３００は、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ８０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８２が接続されている。送信フィルタ８０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８２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８０及び受信フィルタ８２の少なくとも一方を実施例２のフィルタ２００〜２００ｃ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示したがトリプレクサ又はクワッドプレクサでもよい。
以上、本願発明の実施形態について詳述したが、本願発明はかかる特定の実施形態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願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
１４ａ 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 支持層
２０ 凹部
２４ 保護膜
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３２ 導入路
３４ 孔部
３８ 犠牲層
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
６０、６２ 引出領域
７０ 配線
８０ 送信フィルタ
８２ 受信フィルタ
９０ 基板
１００、１１０、１２０、１３０、１０００、１１００ 圧電薄膜共振器
２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ フィルタ
３００ デュプレクサ
１２ 下部電極
１４ａ 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 支持層
２０ 凹部
２４ 保護膜
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３２ 導入路
３４ 孔部
３８ 犠牲層
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
６０、６２ 引出領域
７０ 配線
８０ 送信フィルタ
８２ 受信フィルタ
９０ 基板
１００、１１０、１２０、１３０、１０００、１１００ 圧電薄膜共振器
２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ フィルタ
３００ デュプレクサ
Claims (13)
- 基板と、
前記基板上に設けられた支持層と、
前記支持層上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられ、第１線膨張係数を有し、前記第１線膨張係数と前記基板の第２線膨張係数との差の絶対値よりも前記第１線膨張係数と前記支持層の第３線膨張係数との差の絶対値が小さい圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられ、前記基板と前記下部電極との間に形成された空隙および前記下部電極に平面視において重なる上部電極と、を備える圧電薄膜共振器。 - 前記支持層の第３線膨張係数は前記基板の第２線膨張係数よりも小さい、請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記基板は前記支持層よりもヤング率が大きい、請求項１または２に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記支持層は前記基板よりも熱伝導率が大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記基板は前記支持層よりも体積抵抗率が大きい、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。
- 前記基板はサファイアであり、
前記支持層はシリコンである、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。 - 複数の圧電薄膜共振器を備え、
前記複数の圧電薄膜共振器のうち少なくとも１つの圧電薄膜共振器は請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器であるフィルタ。 - 前記複数の圧電薄膜共振器のうち２以上の圧電薄膜共振器が請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器であり、
前記２以上の圧電薄膜共振器の前記支持層は互いに離れている、請求項７に記載のフィルタ。 - 前記２以上の圧電薄膜共振器の前記支持層は前記基板に設けられた凹部に埋め込まれている、請求項８に記載のフィルタ。
- 前記複数の圧電薄膜共振器のうち圧電膜を挟み下部電極と上部電極が向かい合う領域である共振領域が最も大きい圧電薄膜共振器は請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器である、請求項７から９のいずれか一項に記載のフィルタ。
- 前記複数の圧電薄膜共振器のうち前記共振領域が最も小さい圧電薄膜共振器は、上面に前記支持層が設けられていない基板上に下部電極と圧電膜と上部電極が設けられた圧電薄膜共振器である、請求項１０に記載のフィルタ。
- 前記複数の圧電薄膜共振器は、入力端子と出力端子との間に直列に接続された複数の直列共振器を含み、
前記複数の直列共振器のうち前記入力端子の最も近くで前記入力端子と前記出力端子との間に接続される共振器は請求項４に記載の圧電薄膜共振器である、請求項７から１１のいずれか一項に記載のフィルタ。 - 請求項７から１２のいずれか一項に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
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