JP2021508999A

JP2021508999A - 薄膜圧電共振器

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Publication number: JP2021508999A
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Inventors: 珮淳廖; 瑞欽林; 俊武趙
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Abstract

本発明は、上部電極と圧電層と下部電極との積層構造と、基板とを有する薄膜圧電共振器を提案し、下部電極と基板との間に反射界面が設けられている。全体又は一部の積層構造の形状を限定することによって、横方向の定在波を抑制する目的を達成し、新たな工程を追加することなく、デバイスの製造コストを制御し、製品開発の利益を最大化する。
【選択図】図６

Description

本発明は、共振器の分野に属し、特に薄膜圧電共振器に関する。

通信帯域の拡大に伴い、ますます高い周波数が求められている。高い周波数が求められている中、フィルタの損失を低減し、より高品質なフィルタ応答を得るために、共振器のＱ値を高くすることが求められている。横方向の定在波を抑制してＱ値を向上させる方法は多数あるが、そのほとんどは工程数が余分に増えるため、デバイスの製造コストが増加する。

本発明の解決しようとする技術課題は、工程数を余分に増やすことなく改良を行い、横波効果の抑制を図ることができ、かつデバイスの製造コストを抑えることができる薄膜圧電共振器を提供することにある。

横波効果を抑制する薄膜圧電共振器は、上部電極と圧電層と下部電極との積層構造と、基板とを有するものであり、前記下部電極と基板との間に反射界面が設けられ、前記積層構造の外郭は、１本の曲線と少なくとも１本の直線とを結ぶ閉じた線形状であることを特徴とする。

上記構成によれば、前記曲線は、凸型又は凹型の線形状である。

上記構成によれば、前記直線は、２本以上であり、隣接する直線同士のなす角度は、０度より大きく１８０度より小さい。

上記構成によれば、前記反射界面は、下部電極と基板との間の空洞である。

上記構成によれば、前記反射界面は、高音響インピーダンス材料と低音響インピーダンス材料とを交互にして形成される。

上記構成によれば、前記下部電極、圧電層及び上部電極の少なくとも一層にバンプ又は欠落部が設けられ、前記バンプ又は欠落部の数が少なくとも１つである。

基板、下部電極、圧電層及び上部電極が下から順に設けられ、基板と下部電極との間に反射界面が設けられている薄膜圧電共振器であって、前記下部電極、圧電層及び上部電極のうち少なくとも一層が他の層と異なる形状を有することを特徴とする。

上記構成によれば、前記形状の相違は、具体的には、少なくとも１つのバンプが追加されていることである。

上記構成によれば、前記バンプは、位置する層の元の構造から一定の距離を有する独立バンプである。

上記構成によれば、前記一定の距離は、０より大きく１００μｍ以下である。

上記構成によれば、前記バンプは、位置する層の元の構造に接続された接続バンプである。

上記構成によれば、前記形状の相違は、具体的には、元の構造に少なくとも１つの欠落部が設けられていることである。

上記構成によれば、前記欠落部は、元の構造の端部又は中央部の任意の位置に設けられている。

上記構成によれば、前記欠落部の高さは、元の構造の厚さ以下である。

上記構成によれば、前記圧電層は、圧電特性を有する材料を用いてなる。

上記構成によれば、前記圧電層の材料は、ＡｌＮ、ＡｌＳｃＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＬｉＮＯ_３又はＬｉＴａＯ_３である。

上記構成によれば、前記形状の相違は、具体的には、少なくとも１つのバンプが追加され、かつ、元の構造に少なくとも１つの欠落部が設けられていることである。

全体又は一部の積層構造の形状を限定することによって、横方向の定在波を抑制する目的を達成し、新たな工程を追加することなく、デバイスの製造コストを制御し、製品開発の利益を最大化する。

本発明の一実施例の断面図である。本発明の他の実施例の断面図である。本発明のさらに他の実施例の断面図である。本発明の実施例１の平面図である。本発明の実施例２の平面図である。本発明の実施例３の平面図である。本発明の実施例４の平面図である。本発明の実施例５の平面図である。本発明の実施例６の平面図である。図９のＡＡ断面図である。図９の他のＡＡ断面図である。本発明の実施例７の平面図である。本発明の実施例８の平面図である。本発明の実施例９の平面図である。本発明の実施例１０の平面図である。

以下、具体例と図面を参照して本発明をさらに説明する。
図１は、本発明の一実施例の断面図である。薄膜圧電共振器は、上部電極１０１と圧電層１０２と下部電極１０３との積層構造を有し、下部電極１０３と基板１０５との間に反射界面となる空気１０４が設けられている。

図２は、本発明の他の実施例の断面図である。薄膜圧電共振器は、上部電極２０１と圧電層２０２と下部電極２０３との積層構造を有し、基板２０５にエッチングホールからなる空洞２０４が設けられ、空洞２０４が反射界面として機能する。

図３は、本発明のさらに他の実施例の断面図である。薄膜圧電共振器は、上部電極３０１と圧電層３０２と下部電極３０３の積層構造を有し、下部電極３０３と基板３０５の間に、高音響インピーダンス材料と低音響インピーダンス材料を交互にして形成された複数のブラッグ反射鏡３０６が反射界面として設けられている。ここで、高音響インピーダンスと低音響インピーダンスとは相対的な概念である。

以上の圧電層は、いずれもＡｌＮ、ＡｌＳｃＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＬｉＮＯ_３又はＬｉＴａＯ_３などの圧電特性を有する材料が用いられる。

実施例１：
図４に示すように、本実施例は、下部電極４０３、圧電層４０２、上部電極４０１が下から順に形成され、上部電極４０１の外郭は、１本の凸状の曲線４０１１と、曲線４０１１の両端を結ぶ１本の直線部４０１２とを有する。製造に際しては、各層の工程において、成長させる積層構造の外郭を限定すればよく、工程層数を余分増やす必要がない。

本実施例は、図１、図２、図３に示した薄膜圧電共振器に適用される。

実施例２：
本実施例の原理及び構成は、実施例１と基本的には同じであるが、図５に示すように、下部電極５０３、圧電層５０２、上部電極５０１が下から順に形成されている点が異なる。上部電極５０１を例にとると、上部電極５０１の外郭は、１本の凸状の曲線５０１１、第１直線部５０１２及び第２直線部５０１３の３本の線が連なった形状を有する。第１直線部５０１２と第２直線部５０１３との間の角度は、０度より大きく、１８０度より小さい。

本実施例は、図１、図２、図３に示した圧電薄膜共振器に適用される。

実施例３：
本実施例の原理及び構成は、実施例１と基本的には同じであるが、図６に示すように、下部電極６０３、圧電層６０２、上部電極６０１が下から順に形成されている点が異なる。上部電極６０１を例にとると、上部電極６０１の閉じた線形状は、１本の凸状の曲線６０１１、第１直線部６０１２、第２直線部６０１３及び第３直線部６０１４の４本の線を結ぶ線で構成される。第１直線部６０１２と第３直線部６０１４は、互いに平行である。

実施例１〜３の設計思想は、１つしかない曲線辺と任意の平面辺とを有する形状を設計することにより非対称な共振器を形成し、横方向の定在波が非対称な圧電体層で反射することにより、原波と同一方向に大きく減少させ、横方向の定在波のエネルギーを減衰させ、最終的にＱ値を上げる効果を達成する。１つの曲線辺と任意の平面辺で形成された閉じ図形は、異なる任意の平面辺と角度を調整して設計されることにより、異なる要件（例えば、Ｑ値要件、形状要件、体積要件等）の共振器に適用可能であり、設計的により弾性を有し、横方向の定在波を抑制する効果もより弾性を有する。

実施例１〜３では、前記積層構造の外郭は、１本の曲線と少なくとも１本の直線とが接続された閉じた線形状である。前記曲線は、円弧状、楕円弧状、放物線状、任意の滑らかな曲線等の凸型又は凹型の線形状であるが、その湾曲方向は１方向に限定される。前記積層構造の外郭は、１つの曲線面のみを有し、他の全てが平面であり、それによって、非対称幾何学的形状を形成する。それにより、形成された横方向の定在波は、反射して戻るときに、同じ位置になく、それによって、分散及び相殺され、新たな工程を追加することなく、デバイスの製造コストを抑え、製品開発の利益を最大化する。

実施例４：
本実施例による薄膜圧電共振器は、図７に示すように、基板１０５、下部電極１０３、圧電層１０２、上部電極１０１を下から順に備え、基板１０５と下部電極１０３との間に反射界面が設けられ、前記下部電極１０３、圧電層１０２、上部電極１０１の少なくとも一層に、位置する層の元の構造と同じ材料の少なくとも１つのバンプが追加され、前記バンプの厚さが位置する層の元の構造とは一致する。バンプの製造工程は、位置する層の他の構造と同様であり、製造時にバンプを成長させればよい。

本実施例において、前記バンプは、位置する層の元の構造から一定の距離（０より大きく、１００μｍ以下）を有する独立バンプである。さらに説明すると、独立バンプは、方形に限定されず、各辺の長さが１ｎｍ〜１００μｍである。

上部電極１０１を例にとると、上部電極１０１と同一層に、上部電極外郭１０１１から０μｍより大きく１００μｍ以下の距離を有する独立バンプ１０１３が設けられている。また、上部電極１０１に１つの独立バンプ１０１３を設け、圧電層１０２に２つの独立バンプを設け、下部電極１０３に３つの独立バンプを設けてもよい。各層の独立バンプ数は、限定されず、独立バンプが設けられる層や層数は、いずれも限定されない。

前記の圧電層の材料は、圧電特性を有する材料からなり、例えば、ＡｌＮ、ＡｌＳｃＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＬｉＮＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＢＳＴ……等の圧電特性を有する材料、又は圧電特性を有する材料をドープして形成する。

本実施例は、図１、図２及び図３に示した薄膜圧電共振器に適用される。

実施例５：
本実施例の構成と原理は、実施例４と同様であるが、異なる点は、図８に示すように、前記バンプが、位置する層の元の構造に接続された接続バンプである点である。接続バンプの厚さは、位置する層に一致する。接続バンプの製造工程は、位置する層の他の構造と同様であり、製造時に外郭形状を制御すればよい。

前記接続バンプの最長寸法は、１ｎｍ〜１００μｍである。

上部電極１０１を例にとると、上部電極外郭１０１１の任意の位置に３個の接続バンプ１０１４が接続される。また、上部電極１０１に１つの接続バンプ１０１４を接続し、圧電層１０２に２つの接続バンプを接続し、下部電極１０３に３つの接続バンプを接続してもよい。各層の接続バンプの数は、限定されず、接続バンプが設けられる層や層数は、いずれも限定されない。

実施例６：
本実施例による薄膜圧電共振器は、基板１０５、下部電極１０３、圧電層１０２、上部電極１０１を下から順に備え、基板１０５と下部電極１０３との間に反射界面が設けられ、前記下部電極１０３、圧電層１０２、上部電極１０１の少なくとも一層に欠落部が形成され、欠落部が元の構造に位置しかつ活性領域端部に近い。活性領域の明確な定義は、上部電極１０１、圧電層１０２及び下部電極１０３が重なる領域であり、この重なる領域の下に反射界面がある。

上部電極１０１を例にとると、図９に示すように、上部電極１０１の中央の任意の位置に少なくとも１つの欠落部１０１５が設けられる。欠落部１０１５の高さは、元の構造の厚さ以下である。欠落部１０１５の高さが元の構造の厚さに等しい場合、図１０に示すように、欠落部は、くり抜き欠落部１０１５１である。欠落部１０１５の高さが元の構造の厚さよりも小さい場合、欠落部は、図１１に示すように、溝欠落１０１５２である。

実施例７：
本実施例による薄膜圧電共振器は、図１２に示すように、基板１０５、下部電極１０３、圧電層１０２、上部電極１０１を下から順に備え、基板１０５と下部電極１０３との間に反射界面が設けられ、前記下部電極１０３、圧電層１０２、上部電極１０１の少なくとも一層に欠落部が設けられている。本実施例では欠落部を元の構造の端部に設け、元の構造の外郭に少なくとも１つのカットエッジを設け、すなわち元の構造の端部をカットすることに相当して欠落部を構成する。したがって、成長させる積層構造の外郭を各層工程毎に規定すればよく、工程を別途追加する必要がない。

上部電極１０１を例にとると、上部電極外郭１０１１には３本のカットエッジ１０１２が設けられ、それぞれのカットエッジ１０１２の長さは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、上部電極１０１に１本のカットエッジを設け、圧電層１０２に２本のカットエッジを設け、下部電極１０３に３本のカットエッジを設けてもよい。各層のカットエッジ数は、限定されず、カットエッジが設けられる層や層数も、いずれも限定されない。前記カットエッジの長さは、１ｎｍ〜１００μｍである。

また、元の構造の端部に位置する欠落部は、直線のカットエッジに限定されず、他の形状、例えば、１つの角欠き等であってもよい。

実施例４〜７のポイントは、工程数を余分に増やすことなく、少なくとも一層の形状のみを制限すること、例えばバンプや欠落部の追加により上部電極、圧電層、下部電極の形状を調整し、横方向波のエネルギーを減衰させ、横方向波の反射エネルギーを低減し、Ｑ値を向上させることにある。

実施例８：
本実施例による薄膜圧電共振器は、図１３に示すように、下部電極１０３、圧電層１０２、上部電極１０１を下から順に備え、前記下部電極１０３、圧電層１０２、上部電極１０１の少なくとも一層に欠落部を設け、上部電極上部に上部電極バンプ１０１６を設ける。本実施例では、欠落部は、元の構造の端部に設けられ、元の構造の外郭に少なくとも一つのカットエッジを設け、すなわち、元の構造の端部の一部を切り取ることに相当して欠落部を構成する。

本実施例では、上部電極バンプ１０１６は、３個設けられ、周方向については上部電極の上部に均一に配置されているが、上部電極バンプ１０１６の個数や配置は、任意である。

実施例９：
本実施例による薄膜圧電共振器は、図１４に示すように、下部電極１０３、圧電層１０２、上部電極１０１を下から順に備え、前記下部電極１０３、圧電層１０２、上部電極１０１の少なくとも一層に欠落部を設け、また、上部電極上部に少なくとも１つの上部電極バンプ１０１６を設ける。本実施例では、欠陥部は、元の構造に位置し、活性領域の端部に近い。活性領域の明確な定義は、上部電極１０１、圧電層１０２及び下部電極１０３が重なる領域であり、この重なる領域の下に反射界面がある。

上部電極１０１を例にとると、上部電極１０１の中央の任意の位置に少なくとも１つの欠落部１０１５が設けられている。欠落部１０１５の高さは、元の構造の厚さ以下である。本実施例では、上部電極バンプ１０１６は、３個設けられ、周方向については上部電極の上部に均一配置されているが、上部電極バンプ１０１６の個数や配置は、任意である。

実施例８及び実施例９のポイントは、バンプと欠落部の特徴を組み合わせたことにより、より高い効果を奏することができた。

実施例１０（最良の実施例）：
本実施例の薄膜圧電共振器は、上部電極と圧電層と下部電極との積層構造と、基板とを有し、前記下部電極と基板との間に反射界面が設けられ、前記積層構造の外郭は、１本の曲線と少なくとも１本の直線とを結ぶ閉じた線形状であり、上部電極、圧電層及び下部電極の少なくとも一層にバンプ又は欠落部が設けられている。

図１５に示すように、上部電極６０１を例にとると、上部電極６０１の閉じた線形状は、１本の凸状の曲線６０１１、第１直線部６０１２、第２直線部６０１３、第３直線部６０１４の４本の線が連なった線で構成される。第１直線部６０１２と第３直線部６０１４は、互いに平行である。上部電極上部には、少なくとも１つの上部電極バンプ６０１６が設けられている。

実施例１０のポイントは、「非対称な外郭」と「バンプや欠落部の追加」の２つの手段を組み合わせることで、より高い効果を達成している。

以上の実施例は、本発明の設計思想と特徴を説明するためのものに過ぎず、本発明の内容を当業者が理解し実施することを目的とするものであり、本発明の保護範囲は上記実施例に限定されない。従って、本発明の原理、設計思想に基づいて等価な変更又は改良を加えた形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

（付記）
（付記１）
上部電極と圧電層と下部電極との積層構造と、基板とを有する薄膜圧電共振器であって、前記下部電極と基板との間に反射界面が設けられ、前記積層構造の外郭は、１本の曲線と少なくとも１本の直線とを結ぶ閉じた線形状であることを特徴とする薄膜圧電共振器。

（付記２）
前記曲線は、凸型又は凹型の線形状であることを特徴とする付記１に記載の薄膜圧電共振器。

（付記３）
前記直線は、２本以上であり、隣接する直線同士のなす角度は、０度より大きく１８０度より小さいことを特徴とする付記１に記載の薄膜圧電共振器。

（付記４）
前記直線は、３本以上であり、そのうち少なくとも２本の直線が互いに平行であることを特徴とする付記１に記載の薄膜圧電共振器。

（付記５）
前記反射界面は、下部電極と基板との間の空洞であることを特徴とする付記１に記載の薄膜圧電共振器。

（付記６）
前記反射界面は、高音響インピーダンス材料と低音響インピーダンス材料とを交互にして形成されることを特徴とする付記１に記載の薄膜圧電共振器。

（付記７）
前記圧電層は、圧電特性を有する材料を用いてなることを特徴とする付記１に記載の薄膜圧電共振器。

（付記８）
前記圧電特性を有する材料は、ＡｌＮ、ＡｌＳｃＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＬｉＮＯ_３又はＬｉＴａＯ_３であることを特徴とする付記７に記載の薄膜圧電共振器。

（付記９）
前記下部電極、圧電層及び上部電極の少なくとも一層にバンプ又は欠落部が設けられ、前記バンプ又は欠落部の数が少なくとも１つであることを特徴とする付記１に記載の薄膜圧電共振器。

（付記１０）
基板、下部電極、圧電層及び上部電極が下から順に設けられ、基板と下部電極との間に反射界面が設けられている薄膜圧電共振器であって、前記下部電極、圧電層及び上部電極のうち少なくとも一層が他の層と異なる形状を有することを特徴とする薄膜圧電共振器。

（付記１１）
前記形状の相違は、具体的には、少なくとも１つのバンプが追加されていることであることを特徴とする付記１０に記載の薄膜圧電共振器。

（付記１２）
前記バンプは、位置する層の元の構造から一定の距離を有する独立バンプであることを特徴とする付記１１に記載の薄膜圧電共振器。

（付記１３）
前記一定の距離は、０より大きく１００μｍ以下であることを特徴とする付記１２に記載の薄膜圧電共振器。

（付記１４）
前記バンプは、位置する層の元の構造に接続された接続バンプであることを特徴とする付記１１に記載の薄膜圧電共振器。

（付記１５）
前記形状の相違は、具体的には、元の構造に少なくとも１つの欠落部が設けられていることであることを特徴とする付記１０に記載の薄膜圧電共振器。

（付記１６）
前記欠落部は、元の構造の端部又は中央部の任意の位置に設けられていることを特徴とする付記１５に記載の薄膜圧電共振器。

（付記１７）
前記欠落部の高さは、元の構造の厚み以下であることを特徴とする付記１５に記載の薄膜圧電共振器。

（付記１８）
前記圧電層は、圧電特性を有する材料を用いてなることを特徴とする付記１７に記載の薄膜圧電共振器。

（付記１９）
前記圧電層の材料は、ＡｌＮ、ＡｌＳｃＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＬｉＮＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、又はＢＳＴのいずれかであることを特徴とする付記１８に記載の薄膜圧電共振器。

（付記２０）
前記形状の相違は、具体的には、少なくとも１つのバンプが追加され、かつ、元の構造に少なくとも１つの欠落部が設けられていることであることを特徴とする付記１０に記載の薄膜圧電共振器。

１０１：上部電極、１０２：圧電層、１０３：下部電極、１０４：空洞、１０５：基板、２０１：上部電極、２０２：圧電層、２０３：下部電極、２０４：空洞、２０５：基板、３０１：上部電極、３０２：圧電層、３０３：下部電極、３０５：基板、３０６：ブラッグ反射鏡、４０１：上部電極、４０１１：曲線、４０１２：直線部、４０２：圧電層、４０３：下部電極、５０１：上部電極、５０１１：曲線、５０１２：第１直線部、５０１３：第２直線部、５０２：圧電層、５０３：下部電極、６０１：上部電極、６０１１：曲線、６０１２：第１直線部、６０１３：第２直線部、６０１４：第３直線部、６０２：圧電層、６０３：下部電極、６０１６：上部電極バンプ、１０１１：上部電極外郭、１０１２：カットエッジ、１０１３：独立バンプ、１０１４：接続バンプ、１０１５：欠落部、１０１５１：くり抜き欠落、１０１５２：溝欠落、１０１６：上部電極バンプ。

Claims

上部電極と圧電層と下部電極との積層構造と、基板とを有する薄膜圧電共振器であって、前記下部電極と基板との間に反射界面が設けられ、前記積層構造の外郭は、１本の曲線と少なくとも１本の直線とを結ぶ閉じた線形状であることを特徴とする薄膜圧電共振器。
前記曲線は、凸型又は凹型の線形状であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
前記直線は、２本以上であり、隣接する直線同士のなす角度は、０度より大きく１８０度より小さいことを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
前記直線は、３本以上であり、そのうち少なくとも２本の直線が互いに平行であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
前記反射界面は、下部電極と基板との間の空洞であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
前記反射界面は、高音響インピーダンス材料と低音響インピーダンス材料とを交互にして形成されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
前記圧電層は、圧電特性を有する材料を用いてなることを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
前記圧電特性を有する材料は、ＡｌＮ、ＡｌＳｃＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＬｉＮＯ_３又はＬｉＴａＯ_３であることを特徴とする請求項７に記載の薄膜圧電共振器。
前記下部電極、圧電層及び上部電極の少なくとも一層にバンプ又は欠落部が設けられ、前記バンプ又は欠落部の数が少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧電共振器。
基板、下部電極、圧電層及び上部電極が下から順に設けられ、基板と下部電極との間に反射界面が設けられている薄膜圧電共振器であって、前記下部電極、圧電層及び上部電極のうち少なくとも一層が他の層と異なる形状を有することを特徴とする薄膜圧電共振器。
前記形状の相違は、具体的には、少なくとも１つのバンプが追加されていることであることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜圧電共振器。
前記バンプは、位置する層の元の構造から一定の距離を有する独立バンプであることを特徴とする請求項１１に記載の薄膜圧電共振器。
前記一定の距離は、０より大きく１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の薄膜圧電共振器。
前記バンプは、位置する層の元の構造に接続された接続バンプであることを特徴とする請求項１１に記載の薄膜圧電共振器。
前記形状の相違は、具体的には、元の構造に少なくとも１つの欠落部が設けられていることであることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜圧電共振器。
前記欠落部は、元の構造の端部又は中央部の任意の位置に設けられていることを特徴とする請求項１５に記載の薄膜圧電共振器。
前記欠落部の高さは、元の構造の厚み以下であることを特徴とする請求項１５に記載の薄膜圧電共振器。
前記圧電層は、圧電特性を有する材料を用いてなることを特徴とする請求項１７に記載の薄膜圧電共振器。
前記圧電層の材料は、ＡｌＮ、ＡｌＳｃＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＬｉＮＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、又はＢＳＴのいずれかであることを特徴とする請求項１８に記載の薄膜圧電共振器。
前記形状の相違は、具体的には、少なくとも１つのバンプが追加され、かつ、元の構造に少なくとも１つの欠落部が設けられていることであることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜圧電共振器。