JP4696597B2

JP4696597B2 - Thin film piezoelectric resonator and thin film piezoelectric filter using the same

Info

Publication number: JP4696597B2
Application number: JP2005058418A
Authority: JP
Inventors: 博史土屋; 謙介田中
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: JP2006245979A

Description

本発明は、通信機器等に使用される薄膜圧電共振器およびそれを用いた薄膜圧電フィルタに関するものである。 The present invention relates to a thin film piezoelectric resonator used in communication equipment and the like and a thin film piezoelectric filter using the same.

電子装置のコストやサイズをより低く抑える為に、フィルタ素子の小型化へのニーズは常に存在する。携帯電話や小型ラジオ等のような民生用電子機器においては、その中に利用する部品に対してサイズ及びコストの両方に厳しい制限が強いられる。一方そのようなデバイスの多くには、正確に周波数が調整されていなければならないフィルタが利用される。従ってこれまでもより安価でコンパクトなフィルタユニットを供給しようという努力が払われて来た。 In order to keep the cost and size of electronic devices lower, there is always a need for smaller filter elements. In consumer electronic devices such as mobile phones and small radios, strict restrictions are imposed on both the size and cost of the components used therein. On the other hand, many such devices utilize filters that must be precisely tuned in frequency. Thus, efforts have been made to supply cheaper and more compact filter units.

これらのニーズを満たす能力を持つフィルタ素子の中には音響共振器から作られる種類のものが存在する。これらの音響共振器から作られるフィルタ素子として、圧電シート中のバルク縦音波を利用する薄膜圧電共振器がある。単純な構成の１つにおいては、圧電シートが２つの金属電極に挟まれた形になっている。このサンドイッチ構造は、その外周を支持することにより空気中に置かれる。電圧の印加により２つの電極の間に電界が作られると、圧電シートは電気的エネルギーの一部を音波という形の機械的エネルギーへと変換する。音波は電界と同方向で縦に伝搬されて電極／空気間の界面で反射するか、或は電界を横切る方向に伝わり、電極又はその構造体の端部の様々な断絶部において反射する。このとき、前記サンドイッチ構造が複数積み重ねられた積層構造であっても、支持される場所が空気中でなく複数の音響インピーダンスの異なる層により構成された音響ミラー層であっても同様である。 Some filter elements that have the ability to meet these needs are made from acoustic resonators. As a filter element made from these acoustic resonators, there is a thin film piezoelectric resonator using bulk longitudinal acoustic waves in a piezoelectric sheet. In one simple configuration, the piezoelectric sheet is sandwiched between two metal electrodes. This sandwich structure is placed in the air by supporting its outer periphery. When an electric field is created between the two electrodes by applying a voltage, the piezoelectric sheet converts some of the electrical energy into mechanical energy in the form of sound waves. Sound waves propagate longitudinally in the same direction as the electric field and are reflected at the electrode / air interface, or propagate across the electric field and are reflected at various breaks at the end of the electrode or its structure. At this time, even if the sandwich structure is a laminated structure in which a plurality of layers are stacked, the same is true even if the place to be supported is an acoustic mirror layer constituted by a plurality of layers having different acoustic impedances rather than in the air.

この種の薄膜圧電共振器は電気的に結合可能な機械的共振器であり、従ってフィルタとしての作用を持つ。材料中を伝わる音のある所定の位相速度に対する機械的共振周波数は、デバイス中を縦に伝わる音波の半波長がデバイスの全厚さに等しくなる周波数である。音の速度は光の速度よりも４桁も低い為、共振器はかなり小さくすることが出来る。ＧＨｚ領域での応用に使用される共振器は直径１００μ未満、厚さ数μの物理寸法に作ることが出来る。 This type of thin film piezoelectric resonator is a mechanical resonator that can be electrically coupled, and therefore has a function as a filter. The mechanical resonance frequency for a given phase velocity with sound traveling through the material is the frequency at which the half wavelength of the acoustic wave traveling longitudinally through the device is equal to the total thickness of the device. Since the speed of sound is four orders of magnitude lower than the speed of light, the resonator can be made quite small. Resonators used for applications in the GHz range can be made with physical dimensions less than 100 microns in diameter and several microns in thickness.

圧電シート中のバルク縦音波を利用する薄膜圧電共振器は、中心部に１〜２μ程度の厚さの圧電シートがあり、その圧電シートの上下を電極で挟む構造をしている。電極に電圧を印加することにより圧電シートを通して電界が作られる。すると電界の一部は機械的な場に変換される。このようにして、薄膜圧電共振器は、材料中を伝わる音のある所定の位相速度に対する機械的共振周波数に応じた共振器として働く。 A thin film piezoelectric resonator using bulk longitudinal acoustic waves in a piezoelectric sheet has a piezoelectric sheet having a thickness of about 1 to 2 μm at the center, and has a structure in which the upper and lower sides of the piezoelectric sheet are sandwiched between electrodes. An electric field is created through the piezoelectric sheet by applying a voltage to the electrodes. Then, part of the electric field is converted into a mechanical field. In this way, the thin film piezoelectric resonator acts as a resonator according to the mechanical resonance frequency for a predetermined phase velocity with sound transmitted through the material.

この種の薄膜圧電共振器は、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。 This type of thin film piezoelectric resonator is disclosed in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2.

特開２０００−３３２５６８号公報JP 2000-332568 A 特開２００２−３７２９７４号公報JP 2002-372974 A

薄膜圧電共振器における基本振動モードについて、音波は圧縮波であれ剪断波であれ、或はラム波であれ、電極面に対して直角方向に伝搬される。しかしながら、励起され得る他の振動モードが存在する。これらの振動モードは、電極面に並行に移動し圧電振動領域の壁又は電極層の端部の断絶部で反射する音波に対応する。この振動モードは横モードと呼ばれ、その共振周波数は圧電シートの横共振モードの音響速度により、また金属電極層の横寸法により決まる。これらのモードの基本的周波数は基本モードのものよりもかなり低いが、これらの横モードのより高い高調波が基本モードの周波数帯域中に出現する場合がある。これらの高調波が薄膜圧電共振器の吸収スペクトルにおける複数のスパイク発生の要因となり問題となる。 Regarding the fundamental vibration mode in the thin film piezoelectric resonator, whether the sound wave is a compression wave, a shear wave, or a Lamb wave, it propagates in a direction perpendicular to the electrode surface. However, there are other vibration modes that can be excited. These vibration modes correspond to sound waves that move in parallel with the electrode surface and are reflected at the wall of the piezoelectric vibration region or the cut off portion at the end of the electrode layer. This vibration mode is called a transverse mode, and its resonance frequency is determined by the acoustic velocity of the transverse resonance mode of the piezoelectric sheet and the lateral dimension of the metal electrode layer. Although the fundamental frequency of these modes is significantly lower than that of the fundamental mode, higher harmonics of these transverse modes may appear in the fundamental mode frequency band. These harmonics cause a plurality of spikes in the absorption spectrum of the thin film piezoelectric resonator, which is a problem.

本発明は上記の問題点を解決するためになされたものである。即ち、本発明の目的は、横モード振動により生じるスパイクなどの不規則な成分を含まない吸収及び／又は伝送スペクトルを有する薄膜圧電共振器および薄膜圧電フィルタを提供することである。また、小型で損失が少なく特性の優れた圧電薄膜フィルタおよびそれを構成するための薄膜圧電共振器を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a thin film piezoelectric resonator and a thin film piezoelectric filter having an absorption and / or transmission spectrum that does not include irregular components such as spikes caused by transverse mode vibration. Another object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film filter having a small size, low loss and excellent characteristics, and a thin film piezoelectric resonator for forming the piezoelectric thin film filter.

本発明は、第１の面及び第２の面を有する圧電シートと、前記第１の面上の導電性の層から成る第１の電極と、前記第２の面上の導電性の層から成る第２の電極とを有し、前記第１の電極の一部は前記圧電シートを挟んで前記第２の電極の少なくとも一部分に重なり合って圧電振動領域を形成している薄膜圧電共振器であり、圧電シートの厚み方向から見た前記圧電振動領域の形が、長さの等しい２つの直線を含む３つの辺からなることを特徴とする薄膜圧電共振器に関する。 The present invention includes a piezoelectric sheet having a first surface and a second surface, a first electrode composed of a conductive layer on the first surface, and a conductive layer on the second surface. A thin film piezoelectric resonator in which a part of the first electrode overlaps at least a part of the second electrode with the piezoelectric sheet interposed therebetween to form a piezoelectric vibration region. Further, the present invention relates to a thin film piezoelectric resonator characterized in that the shape of the piezoelectric vibration region viewed from the thickness direction of the piezoelectric sheet is composed of three sides including two straight lines having the same length.

本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態は、前記圧電振動領域の形が、二等辺三角形である。また、本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態は、前記圧電振動領域の形が、直角二等辺三角形である。また、本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態は、前記圧電振動領域の形が、正三角形である。また、本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態は、前記圧電振動領域の形が、扇形である。さらに、本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態は、第１の電極の厚さ及び第２の電極の厚さが、共に、厚み方向の振動波長の０．０５倍以上であることを特徴とする。 In one embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention, the shape of the piezoelectric vibration region is an isosceles triangle. In one embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention, the shape of the piezoelectric vibration region is a right isosceles triangle. In one embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention, the shape of the piezoelectric vibration region is a regular triangle. In one embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention, the piezoelectric vibration region has a sector shape. Furthermore, one embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention is characterized in that the thickness of the first electrode and the thickness of the second electrode are both 0.05 times or more the vibration wavelength in the thickness direction. And

また、本発明は、前記圧電薄膜共振器を複数用いた薄膜圧電フィルタであって、フィルタを構成する全ての圧電薄膜共振器において、隣り合う電気的に結合されている薄膜圧電共振器が、前記圧電振動領域を構成する長さの等しい２辺の内の１辺が対向するように、配置されていることを特徴とする薄膜圧電フィルタに関する。 Further, the present invention is a thin film piezoelectric filter using a plurality of the piezoelectric thin film resonators, wherein in all the piezoelectric thin film resonators constituting the filter, adjacent thin film piezoelectric resonators are The present invention relates to a thin film piezoelectric filter that is arranged so that one of two sides having the same length constituting a piezoelectric vibration region faces each other.

本発明の前記第１の電極及び第２の電極の少なくとも一方もしくは両者の電極が共振器の振動波長の０．０５倍以上の厚みを有することにより薄膜圧電共振器のＱ値が高く、かつ薄膜圧電共振器が長さの等しい２つの直線を含む３つの辺からなる圧電振動領域を有することで横モードにより生じる不規則な成分を含まない吸収及び／又は伝送スペクトルを有する薄膜圧電共振器が提供でき、フィルタの挿入損失の低減が可能となる。 The thin film piezoelectric resonator has a high Q value because at least one of the first electrode and the second electrode of the present invention has a thickness of 0.05 times or more of the vibration wavelength of the resonator, and the thin film Provided is a thin film piezoelectric resonator having an absorption and / or transmission spectrum free from irregular components caused by a transverse mode by having a piezoelectric vibration region consisting of three sides including two straight lines of equal length. This can reduce the insertion loss of the filter.

本発明のフィルタを構成する全ての圧電薄膜共振器において、前記圧電振動領域を構成する二等辺三角形または扇形などの長さの等しい２辺の内の１辺同士が対向するように薄膜圧電共振器を配置し、電気的に結合することにより、電気伝送線路の電気抵抗を最小にできるため、共振器間の電気伝送線路の電気損失を小さくすることができる。 In all the piezoelectric thin film resonators constituting the filter of the present invention, the thin film piezoelectric resonators are arranged such that one of two sides having the same length such as an isosceles triangle or a sector forming the piezoelectric vibration region is opposed to each other. Since the electrical resistance of the electrical transmission line can be minimized by arranging and electrically coupling, the electrical loss of the electrical transmission line between the resonators can be reduced.

以下、本発明を図面を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態を示す薄膜圧電共振器１０の模式的断面図である。本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態は、図１に示すように、第１の面及び第２の面を有する圧電シート１２と、前記第１の面上の導電性の層から成る第１の電極１１と、前記第２の面上の導電性の層から成る第２の電極１３とを有する。両面に電極を有する圧電シート１２は通常空洞１４を有する基板上に形成され、両面に電極を有する圧電シート１２の一部は、空気と接している。さらに、前記第１の電極１１の一部は前記圧電シート１２を挟んで前記第２の電極１３の少なくとも一部分に重なり合って圧電振動領域１５を形成している。即ち圧電振動領域１５とは、圧電シート１２の両面に電極１１、１３が存在し、電圧を印加することにより、圧電シート１２の厚み方向に共振の発生する領域であり、シートの厚み方向から見て、前記第１の電極１１と第２の電極１３が重なり合っている領域である。ただし、前記第１の電極１１または第２の電極１３への配線等は実質的に含まない。特に、本発明では、圧電シート１２の厚み方向から見た前記圧電振動領域１５の形が、長さの等しい２つの直線を含む３つの辺からなることを特徴とする。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a thin film piezoelectric resonator 10 showing an embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention. As shown in FIG. 1, an embodiment of the thin film piezoelectric resonator of the present invention includes a piezoelectric sheet 12 having a first surface and a second surface, and a conductive layer on the first surface. 1 electrode 11 and a second electrode 13 made of a conductive layer on the second surface. The piezoelectric sheet 12 having electrodes on both sides is usually formed on a substrate having a cavity 14, and a part of the piezoelectric sheet 12 having electrodes on both sides is in contact with air. Further, a part of the first electrode 11 overlaps at least a part of the second electrode 13 with the piezoelectric sheet 12 interposed therebetween to form a piezoelectric vibration region 15. That is, the piezoelectric vibration region 15 is a region where the electrodes 11 and 13 exist on both surfaces of the piezoelectric sheet 12 and resonance occurs in the thickness direction of the piezoelectric sheet 12 when a voltage is applied. Thus, the first electrode 11 and the second electrode 13 overlap each other. However, wiring to the first electrode 11 or the second electrode 13 is not substantially included. In particular, the present invention is characterized in that the shape of the piezoelectric vibration region 15 viewed from the thickness direction of the piezoelectric sheet 12 is composed of three sides including two straight lines having the same length.

本発明では、前記第１の電極１１及び第２の電極１３の少なくとも一方の電極が共振器としての共振周波数の振動波長の０．０５倍以上の厚みを有する。前記第１の電極及び第２の電極の少なくとも一方もしくは両者の電極が共振器の振動波長の０．０５倍以上の厚みを有することにより薄膜圧電共振器のＱ値を高することができる。また、前記第１の電極及び第２の電極の少なくとも一方もしくは両者の電極の厚みは、高い電気機械結合係数を得るために、共振器の振動波長の０．２５倍以下であることが好ましい。 In the present invention, at least one of the first electrode 11 and the second electrode 13 has a thickness of 0.05 times or more the vibration wavelength of the resonance frequency as a resonator. The Q value of the thin film piezoelectric resonator can be increased by having at least one or both of the first electrode and the second electrode have a thickness of 0.05 times or more the vibration wavelength of the resonator. The thickness of at least one or both of the first electrode and the second electrode is preferably 0.25 times or less the oscillation wavelength of the resonator in order to obtain a high electromechanical coupling coefficient.

図１（ｂ）は、前記薄膜圧電共振器の圧電シートの厚み方向から見た前記圧電振動領域１５の形（以下圧電振動領域の形という）を示す模式的平面図である。圧電振動領域１５の形は、長さの等しい２つの直線を含む３つの辺からなっており、特に、図１（ｂ）では、圧電振動領域が直角二等辺三角形となっている。長さの等しい２つの直線を含む３つの辺からなる形としては、直角二等辺三角形の他に、図２に示すように、二等辺三角形（図２ａ）、正三角形（図２ｂ）、扇形（図２ｃ）などが挙げられる。前記圧電振動領域１５の形を、長さの等しい２つの直線を含む３つの辺からなる形とすることにより、横モードにより不規則な成分を含まない吸収及び／又は伝送スペクトルを有する薄膜圧電共振器の作製が可能となる。 FIG. 1B is a schematic plan view showing the shape of the piezoelectric vibration region 15 (hereinafter referred to as the shape of the piezoelectric vibration region) viewed from the thickness direction of the piezoelectric sheet of the thin film piezoelectric resonator. The shape of the piezoelectric vibration region 15 includes three sides including two straight lines having the same length. In particular, in FIG. 1B, the piezoelectric vibration region is a right-angled isosceles triangle. In addition to the right-angled isosceles triangle, as shown in FIG. 2, the shape composed of three sides including two straight lines having the same length is an isosceles triangle (FIG. 2a), equilateral triangle (FIG. 2b), sector ( 2c) and the like. The piezoelectric vibration region 15 is formed of three sides including two straight lines having the same length, so that a thin film piezoelectric resonance having an absorption and / or transmission spectrum that does not include an irregular component due to a transverse mode. The device can be made.

以下、スパイクの発生原因である振動の横モードについて説明する。図３に示すような圧電振動領域となる前記第１の電極と前記第２の電極の重なり部分３０が矩形をした従来型の薄膜圧電共振器を例に説明する。前記矩形は２組の平行な２辺により構成されているので、いかなる点から横モード振動が発生しても平行な辺の１点で反射して同じ点に戻ってくる。例えば、圧電振動領域の境界点３１から発生した横モードの波は伝播経路３２を通り対面する辺により反射し、再び経路３２を戻ってくる。すなわち経路長は２Ｗである。同様に圧電振動領域の境界点３３から発生した横モードについても経路長Ｗを有する経路３４を通り対向する辺により反射し、再び経路３４を戻ってくるため経路長は２Ｗである。このように外周上に同一の周波数を持つ横モード振動が存在することによりスパイクが発生する。 Hereinafter, the transverse mode of vibration that is the cause of the spike will be described. A conventional thin film piezoelectric resonator in which the overlapping portion 30 of the first electrode and the second electrode, which is a piezoelectric vibration region as shown in FIG. 3, has a rectangular shape will be described as an example. The rectangle is composed of two sets of two parallel sides, so that even if transverse mode vibration occurs from any point, it is reflected at one point on the parallel side and returns to the same point. For example, a transverse mode wave generated from the boundary point 31 of the piezoelectric vibration region is reflected by the facing side through the propagation path 32 and returns to the path 32 again. That is, the path length is 2W. Similarly, the transverse mode generated from the boundary point 33 of the piezoelectric vibration region is reflected by the opposite side through the path 34 having the path length W and returns again to the path 34, so that the path length is 2W. Thus, spikes are generated by the presence of transverse mode vibration having the same frequency on the outer periphery.

図４は、本発明の圧電振動領域の形が、長さの等しい２つの直線を含む３つの辺からなる場合の横モード振動の説明図である。図４に示す圧電振動領域の形、即ち前記第１の電極と前記第２の電極の重なり部分、即ち圧電振動領域１５の形は、対向する辺が平行ではない点で図３に示した重なり部分、即ち圧電振動領域１５の形とは異なっている。図４に示す圧電振動領域の形では、１つの辺にある点４１を出た波は対向する辺で反射してその波が出た同じ点に戻ってくることはある入射角を除いてない。このように外周上に同一の周波数を持つ横モード振動による共振あるいは定在波が存在しにくくなることによりスパイクの発生を抑制している。 FIG. 4 is an explanatory diagram of transverse mode vibration when the shape of the piezoelectric vibration region of the present invention is composed of three sides including two straight lines having the same length. The shape of the piezoelectric vibration region shown in FIG. 4, that is, the overlapping portion of the first electrode and the second electrode, that is, the shape of the piezoelectric vibration region 15 is the overlap shown in FIG. 3 in that the opposite sides are not parallel. The shape of the portion, that is, the piezoelectric vibration region 15 is different. In the form of the piezoelectric vibration region shown in FIG. 4, a wave that has exited the point 41 on one side is reflected on the opposite side and may return to the same point from which the wave exits, except for an incident angle. . In this way, the occurrence of spikes is suppressed by making it difficult for resonance or standing waves due to transverse mode vibration having the same frequency to exist on the outer periphery.

本発明の薄膜圧電共振器では、構成部品の制限は特にないが、圧電シートの材料としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が挙げられる。特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、音速が大きく周波数変動／膜圧変動が小さいため量産性に優れ、温度係数についてもＺｎＯの半分以下となるなどの点で好ましい。 In the thin film piezoelectric resonator of the present invention, there are no particular restrictions on the components, but examples of the material of the piezoelectric sheet include zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (AlN). In particular, aluminum nitride (AlN) is preferable in that it has a high sound speed and a small frequency fluctuation / film pressure fluctuation, so that it is excellent in mass productivity and has a temperature coefficient of less than half that of ZnO.

また、第１および第２の電極としては、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などが挙げられるが、モリブデン（Ｍｏ）が比較的安価であり、製造工程における取り扱いの容易さの点から好ましい。 Examples of the first and second electrodes include molybdenum (Mo), gold (Au), and aluminum (Al). Molybdenum (Mo) is relatively inexpensive and easy to handle in the manufacturing process. From the point of view, it is preferable.

基盤としては、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガラスなどが挙げられる。 Examples of the substrate include silicon (Si), silicon oxide (SiO ₂ ), gallium arsenide (GaAs), and glass.

基板の空洞としては、基板に凹部を形成したものでもよいし、基板の裏面からエッチング等により、空間を形成したものでもよい。また、空洞部を図５に示すように音響インピーダンスの異なる材料層５１が交互に重ねられたものに置き換えてもよい。電極層と圧電シートによるサンドイッチ構造部についてもこれらが複数重ねられたものでもよい。 The cavity of the substrate may be one in which a recess is formed in the substrate, or one in which a space is formed by etching or the like from the back surface of the substrate. Further, the hollow portion may be replaced with one in which material layers 51 having different acoustic impedances are alternately stacked as shown in FIG. A plurality of these sandwich structures formed by electrode layers and piezoelectric sheets may be stacked.

本発明の薄膜圧電共振器は、特許文献１や特許文献２などに示される製造方法と同様に製造できる。例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガラスなどにより構成された基板上に、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などにより構成された底部の電極（第１の電極もしくは第２の電極）をスパッタリング法などの蒸着法により堆積し、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電材料をスパッタリング法などの蒸着法により堆積し、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などにより構成された頂部の電極（第２の電極もしくは第１の電極）をスパッタリング法などの蒸着法により堆積することにより薄膜圧電共振器が製造される。このとき、前記底部の電極の下層は空洞の領域もしくは高音響インピーダンスを有する金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）と低音響インピーダンスを有するシリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、アルミニウム（Ａｌ）などが交互に重ねられた層により構成された音響ミラー層である。 The thin film piezoelectric resonator of the present invention can be manufactured in the same manner as the manufacturing method disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2, and the like. For example, on a substrate made of silicon (Si), silicon oxide (SiO ₂ ), gallium arsenide (GaAs), glass, or the like, a bottom portion made of molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), or the like. Electrode (first electrode or second electrode) is deposited by an evaporation method such as sputtering, and a piezoelectric material such as zinc oxide (ZnO) or aluminum nitride (AlN) is deposited by an evaporation method such as sputtering. A thin film piezoelectric resonator is obtained by depositing a top electrode (second electrode or first electrode) made of molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), or the like by an evaporation method such as sputtering. Manufactured. At this time, the lower layer of the bottom electrode is a hollow region or gold (Au), molybdenum (Mo), tungsten (W) having high acoustic impedance, silicon (Si) having low acoustic impedance, or silicon oxide (SiO ₂ ). , An acoustic mirror layer composed of layers in which aluminum (Al) and the like are alternately stacked.

本発明の薄膜圧電フィルタは本発明の薄膜圧電共振器を用いたフィルタであり、フィルタ構成の１つとして図６に示すような複数の共振器がアンテナ入力端子線に対して直列に接続した共振器６１と並列に接続した共振器６２が梯子状に配置されたラダー型フィルタがある。このようなフィルタは、１つの基板上に、前記ラダ−型フィルタの回路構成となるように複数の圧電薄膜共振器を形成することで、製造できる。 The thin film piezoelectric filter of the present invention is a filter using the thin film piezoelectric resonator of the present invention. As one of the filter structures, a plurality of resonators as shown in FIG. 6 are connected in series to the antenna input terminal line. There is a ladder type filter in which resonators 62 connected in parallel to the unit 61 are arranged in a ladder shape. Such a filter can be manufactured by forming a plurality of piezoelectric thin film resonators on one substrate so as to have the circuit configuration of the ladder type filter.

本発明の薄膜圧電フィルタは、前記本発明の圧電薄膜共振器を複数用いた薄膜圧電フィルタであって、フィルタを構成する全ての圧電薄膜共振器において、隣り合う電気的に結合されている薄膜圧電共振器が、前記圧電振動領域を構成する二等辺三角形または扇形の３つの辺のうちの、長さの等しい２辺の内の１辺どうしが対向するように、配置されている。本発明の薄膜圧電フィルタの一実施形態を図７に示す。本発明の薄膜圧電フィルタは、フィルタを構成する全ての圧電薄膜共振器において、前記圧電振動領域を構成する二等辺三角形または扇型などの３辺のうち図７に示すように前記圧電振動領域を構成する長さの等しい２辺のうちの１辺７１、７２が対向するように薄膜圧電共振器を配置し、電気的に結合することにより、複数の薄膜圧電共振器を狭い領域に密集させることが可能となる。このとき電気伝送線路７３の電気抵抗は（抵抗率×電気伝送線路長）／電気伝送線路断面積で表わされ、前記のように薄膜圧電共振器が配置されることにより電気伝送線路７３の長さを小さくすることができ、電気抵抗を小さくすることができる。これにより共振器間の電気伝送線路の電気損失を小さくすることができ、低損失でＱの高い薄膜圧電フィルタを提供することができる。 The thin-film piezoelectric filter of the present invention is a thin-film piezoelectric filter using a plurality of the piezoelectric thin-film resonators of the present invention, and is a thin-film piezoelectric that is electrically coupled adjacently in all the piezoelectric thin-film resonators constituting the filter. The resonators are arranged such that one of two sides having the same length among the three sides of the isosceles triangle or the sector forming the piezoelectric vibration region is opposed to each other. One embodiment of the thin film piezoelectric filter of the present invention is shown in FIG. The thin film piezoelectric filter according to the present invention includes all the piezoelectric thin film resonators constituting the filter, wherein the piezoelectric vibration region is formed as shown in FIG. 7 out of three sides such as an isosceles triangle or a fan shape constituting the piezoelectric vibration region. The thin film piezoelectric resonators are arranged so that one side 71 and 72 of two sides having the same length are opposed to each other, and are electrically coupled, so that a plurality of thin film piezoelectric resonators are concentrated in a narrow region. Is possible. At this time, the electric resistance of the electric transmission line 73 is expressed by (resistivity × electric transmission line length) / electric transmission line cross-sectional area, and the length of the electric transmission line 73 is obtained by arranging the thin film piezoelectric resonator as described above. The thickness can be reduced, and the electrical resistance can be reduced. Thereby, the electric loss of the electric transmission line between the resonators can be reduced, and a thin film piezoelectric filter having a low loss and a high Q can be provided.

圧電振動領域を構成する二等辺三角形または扇形の３つの辺のうちの、長さの等しい２辺の内の１辺どうしが対向するように配置されている本発明の薄膜圧電フィルタが、小型で低損失であることを、さらに、図８を用いて説明する。図８（ａ）および（ｂ）は、共に、同一面積の正方形の中に、４つの共振器形成した場合の模式図である。図８（ａ）の共振器は、従来の共振器の例として、正方形の圧電振動領域の形をしており、図８（ｂ）の共振器は、本願発明の一実施形態として、圧電振動領域の形が直角二等辺三角形である。同一面積に４つの共振器を形成しているため、図８（ａ）と図８（ｂ）の共振器の面積は同一である。しかしながら、図８の比較からわかるように、隣り合う共振器の対向する辺８１の長さは、明らかに図８（ｂ）の方が図（ａ）より長い。このように、本願発明の実施形態である図８（ｂ）の薄膜圧電フィルタは、図８（ａ）のフィルタに比べ、電気伝送線路の電気損失を小さくすることができ、低損失でＱの高い薄膜圧電フィルタとすることができる。逆に、同一の電気伝送線路の電気損失を得る場合、本願発明の薄膜圧電フィルタは、小型にすることが可能である。 The thin-film piezoelectric filter of the present invention, which is arranged so that one of two sides having the same length among the three sides of an isosceles triangle or a sector forming the piezoelectric vibration region is opposed, is small. The low loss will be further described with reference to FIG. FIGS. 8A and 8B are schematic views in the case where four resonators are formed in a square having the same area. The resonator in FIG. 8A has a square piezoelectric vibration region as an example of a conventional resonator, and the resonator in FIG. 8B has piezoelectric vibration as an embodiment of the present invention. The shape of the region is a right isosceles triangle. Since four resonators are formed in the same area, the areas of the resonators in FIGS. 8A and 8B are the same. However, as can be seen from the comparison of FIG. 8, the length of the opposing sides 81 of adjacent resonators is clearly longer in FIG. 8B than in FIG. As described above, the thin film piezoelectric filter of FIG. 8B, which is an embodiment of the present invention, can reduce the electric loss of the electric transmission line compared to the filter of FIG. A high thin film piezoelectric filter can be obtained. On the contrary, when the electric loss of the same electric transmission line is obtained, the thin film piezoelectric filter of the present invention can be reduced in size.

（実施例１）
図９に示すような、２つの直列の薄膜圧電共振器１０１、１０２と、２つの並列の薄膜圧電共振器１０３、１０４とにより構成した回路を有するフィルタ１０５を作製した。その際、それぞれの薄膜圧電共振器の圧電振動領域の形は、直角二等辺三角形とし、図１０に示すように各薄膜圧電共振器を配置し、薄膜圧電フィルタを作製した。図１０において、上部電極は実線、下部電極は点線で示し、圧電振動領域を斜線にて示した。また、各薄膜圧電共振器１０１〜１０４の静電容量は１〜３ｐＦ程度にそれぞれ設定した。 Example 1
A filter 105 having a circuit composed of two serial thin film piezoelectric resonators 101 and 102 and two parallel thin film piezoelectric resonators 103 and 104 as shown in FIG. 9 was produced. At that time, the shape of the piezoelectric vibration region of each thin film piezoelectric resonator was a right-angled isosceles triangle, and each thin film piezoelectric resonator was arranged as shown in FIG. 10 to produce a thin film piezoelectric filter. In FIG. 10, the upper electrode is indicated by a solid line, the lower electrode is indicated by a dotted line, and the piezoelectric vibration region is indicated by oblique lines. The capacitances of the thin film piezoelectric resonators 101 to 104 were set to about 1 to 3 pF, respectively.

作製した薄膜圧電共振器を有するフィルタの一部断面図を図１２に示す。フィルタは以下のようにして作製した。 FIG. 12 shows a partial cross-sectional view of a filter having the manufactured thin film piezoelectric resonator. The filter was produced as follows.

まず、図１２に示すようにＳｉ基板１６の表面に絶縁層１７としてＳｉＯ_２を熱酸化により約１μｍ形成した。続いて、絶縁層１７の上に、空洞を形成するための犠牲層としてＴｉをスパッタリング法により５０ｎｍ堆積した（図示せず）。これを各薄膜共振器が有する静電容量に合わせてエッチングによりパターニングを施した。 First, as shown in FIG. 12, about 1 μm of SiO ₂ was formed on the surface of the Si substrate 16 as an insulating layer 17 by thermal oxidation. Subsequently, Ti was deposited on the insulating layer 17 by sputtering as a sacrificial layer for forming a cavity (not shown). This was patterned by etching in accordance with the capacitance of each thin film resonator.

続いて、第１の電極１１としてＭｏをスパッタリング法により約３００ｎｍ堆積し、所望の形状とするためにエッチングによりパターニングを行った。続いて、圧電材料としてＡｌＮを用い、ＡｌＮをスパッタリング法により約１３００ｎｍ堆積し圧電シート１２を形成し、所望の形状とするためにエッチングによりパターニングを行った。続いて、第２の電極１３としてＭｏを第１の電極のＭｏと同様の方法で約３００ｎｍ堆積し、パターニングを行った。 Subsequently, about 300 nm of Mo was deposited as the first electrode 11 by a sputtering method, and patterning was performed by etching to obtain a desired shape. Subsequently, AlN was used as a piezoelectric material, AlN was deposited by sputtering to a thickness of about 1300 nm to form a piezoelectric sheet 12, and patterning was performed by etching to obtain a desired shape. Subsequently, about 300 nm of Mo was deposited as the second electrode 13 by the same method as Mo of the first electrode, and was patterned.

続いて、直列の薄膜圧電共振器２０と並列の薄膜圧電共振器３０の周波数を調整するために、並列の薄膜圧電共振器３０の第２の電極の上に、Ｍｏを第２の電極のＭｏと同様の方法でさらに約５０ｎｍ堆積し、並列の薄膜圧電共振器３０のみに堆積された状態となるようにエッチングによるパターニングを行った。 Subsequently, in order to adjust the frequency of the thin film piezoelectric resonator 30 in parallel with the thin film piezoelectric resonator 20 in series, Mo is placed on the second electrode of the thin film piezoelectric resonator 30 in parallel with the Mo of the second electrode. Further, about 50 nm was deposited by the same method as described above, and patterning by etching was performed so that only the thin film piezoelectric resonators 30 in parallel were deposited.

続いて、第２の電極１３から各共振器につき４〜５個の１μｍφ程度の貫通孔１９を犠牲層のＴｉまでエッチングにより開けた。 Subsequently, 4 to 5 through-holes 19 of about 1 μmφ were opened from the second electrode 13 to each of the resonators by etching up to the sacrifice layer Ti.

続いて、エッチング液を貫通孔１９より犠牲層に注入し、犠牲層のＴｉを除去すると共に、犠牲層の下に接した層の一部も除去することにより、第１電極下に空洞層１４を形成し、本発明における薄膜圧電共振器を有するフィルタ４０を得た。このようにして得たフィルタの通過特性を図１２に示す。図１２に示されるように圧電振動領域の横モード振動による影響が少なく、スパイクなどの不規則な成分が押さえられ、挿入損失が少なく、優れたフィルタの特性を得ることができた。さらに、図１０からわかるように、複数の共振器を狭い領域に配置でき、小型の薄膜圧電フィルタを構成できた。 Subsequently, an etching solution is injected into the sacrificial layer through the through-hole 19 to remove Ti in the sacrificial layer and also remove a part of the layer in contact with the sacrificial layer, so that the cavity layer 14 is formed under the first electrode. And a filter 40 having a thin film piezoelectric resonator according to the present invention was obtained. The pass characteristics of the filter thus obtained are shown in FIG. As shown in FIG. 12, the influence of transverse mode vibration in the piezoelectric vibration region is small, irregular components such as spikes are suppressed, insertion loss is small, and excellent filter characteristics can be obtained. Further, as can be seen from FIG. 10, a plurality of resonators can be arranged in a narrow region, and a small thin film piezoelectric filter can be constructed.

（比較例１）
第１の電極と第２の電極による重なり部分の形状を正方形とし、図１３のように共振器を配置した以外は実施例１と同様にしてフィルタを作製した。フィルタ中の回路構成及び各薄膜圧電共振器の静電容量は実施例１と同様である。得られたフィルタの通過特性を図１４に示す。図１０に示した本発明の薄膜圧電共振器を用いて得られたフィルタに比べ、薄膜圧電フィルタを構成する薄膜圧電共振器の形状が正方形である薄膜圧電フィルタは図１４に示すようにスパイク１５１などの不規則な成分が見られ、挿入損失が増加し、好ましいフィルタ特性は得られなかった。また、電気伝送線路幅が狭くなるなど制約が多く、小型のフィルタを構成することができなかった。 (Comparative Example 1)
A filter was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the shape of the overlapping portion formed by the first electrode and the second electrode was a square, and a resonator was disposed as shown in FIG. The circuit configuration in the filter and the capacitance of each thin film piezoelectric resonator are the same as in the first embodiment. The pass characteristics of the obtained filter are shown in FIG. Compared with the filter obtained by using the thin film piezoelectric resonator of the present invention shown in FIG. 10, the thin film piezoelectric filter in which the thin film piezoelectric resonator constituting the thin film piezoelectric filter has a square shape has a spike 151 as shown in FIG. Irregular components such as the above were observed, insertion loss increased, and favorable filter characteristics could not be obtained. In addition, there are many restrictions such as narrowing of the electric transmission line width, and a small filter cannot be configured.

（ａ）本発明の薄膜圧電共振器の一実施形態の模式的断面図、および（ｂ）圧電振動領域を示す模式的平面図である。(A) Typical sectional drawing of one Embodiment of the thin film piezoelectric resonator of this invention, (b) The typical top view which shows a piezoelectric vibration area | region. 本発明の薄膜圧電共振器の圧電振動領域の他の形を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other form of the piezoelectric vibration area | region of the thin film piezoelectric resonator of this invention. 従来の薄膜圧電共振器の圧電振動領域の形を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the shape of the piezoelectric vibration area | region of the conventional thin film piezoelectric resonator. 本発明の薄膜圧電共振器の圧電振動領域の横モードに関する説明図である。It is explanatory drawing regarding the transverse mode of the piezoelectric vibration area | region of the thin film piezoelectric resonator of this invention. 本発明の薄膜圧電共振器の他の一実施形態の断面図である。It is sectional drawing of other one Embodiment of the thin film piezoelectric resonator of this invention. 本発明による薄膜圧電共振器により構成されたラダー型フィルタの構成図である。It is a block diagram of the ladder type filter comprised by the thin film piezoelectric resonator by this invention. 本発明の薄膜圧電フィルタの一実施形態における薄膜圧電共振器の配置図である。1 is a layout diagram of a thin film piezoelectric resonator in an embodiment of a thin film piezoelectric filter of the present invention. 本発明の薄膜圧電共振器を用いた薄膜圧電フィルタの効果を説明する共振器の模式的配置図である。FIG. 3 is a schematic layout diagram of resonators for explaining the effect of the thin film piezoelectric filter using the thin film piezoelectric resonator of the present invention. 実施例１で作製したフィルタの構成図である。2 is a configuration diagram of a filter manufactured in Example 1. FIG. 実施例１で作製したフィルタの薄膜圧電共振器配置図である。2 is a layout diagram of a thin film piezoelectric resonator of a filter manufactured in Example 1. FIG. 実施例１で作製したフィルタの模式的断面図である。3 is a schematic cross-sectional view of a filter manufactured in Example 1. FIG. 実施例１で得られた本発明の薄膜圧電共振器を用いたフィルタのフィルタ通過特性波形図である。It is a filter passage characteristic waveform figure of a filter using the thin film piezoelectric resonator of the present invention obtained in Example 1. 比較例１で作製したフィルタの薄膜圧電共振器配置図である。6 is a layout diagram of a thin film piezoelectric resonator of a filter manufactured in Comparative Example 1. FIG. 比較例１で得られた従来の薄膜圧電共振器を用いたフィルタのフィルタ通過特性波形図である。It is a filter passage characteristic waveform diagram of a filter using the conventional thin film piezoelectric resonator obtained in Comparative Example 1.

Explanation of symbols

１０、２０、３０、６１、６２、１０１〜１０４薄膜圧電共振器
１１第１の電極
１２圧電シート
１３第２の電極
１４空洞領域
１５圧電振動領域
１６Ｓｉ基板
１８周波数調整用Ｍｏ
１９貫通孔
３１、３３、４１圧電振動領域境界上の任意の点
３２、３４横モード波の伝搬経路
４０、１０５フィルタ
５１音響ミラー
７１、７２、８１薄膜圧電共振器内における長さの等しい２辺のうちの１辺
７３薄膜圧電共振器間の電気伝送線路
１５１スパイク 10, 20, 30, 61, 62, 101-104 Thin film piezoelectric resonator 11 First electrode 12 Piezoelectric sheet 13 Second electrode 14 Cavity region 15 Piezoelectric vibration region 16 Si substrate 18 Frequency adjusting Mo
19 Through holes 31, 33, 41 Arbitrary points 32, 34 on the boundary of the piezoelectric vibration region 40, propagation mode 40, 105 filter 51 acoustic mirror 71, 72, 81 Two sides of equal length in the thin film piezoelectric resonator One side 73 of the electric transmission line 151 between the thin film piezoelectric resonators spike

Claims

A piezoelectric sheet having a first surface and a second surface, a first electrode comprising a conductive layer on the first surface, and a second electrode comprising a conductive layer on the second surface. A portion of the first electrode overlaps at least a portion of the second electrode across the piezoelectric sheet to form a piezoelectric vibration region, and the piezoelectric viewed from the thickness direction of the piezoelectric sheet. The shape of the vibration region consists of three sides including two straight lines having the same length, and the thickness of at least one of the first electrode and the second electrode is 0.05 of the vibration wavelength in the thickness direction. It is a thin film piezoelectric filter using a plurality of thin film piezoelectric resonators that are twice or more ,
In all of the piezoelectric thin film resonators constituting the filter, adjacent ones of the two thin film piezoelectric resonators that are electrically coupled to each other face each other out of two sides having the same length constituting the piezoelectric vibration region. Are located in
Each of the two sides having the same length of all the thin film piezoelectric resonators constituting the filter is disposed so as to face one of the two sides having the same length of the adjacent thin film piezoelectric resonator. Thin film piezoelectric filter.

The thin film piezoelectric filter according to claim 1, wherein the shape of the piezoelectric vibration region is an isosceles triangle.

2. The thin film piezoelectric filter according to claim 1, wherein the shape of the piezoelectric vibration region is a right isosceles triangle.

2. The thin film piezoelectric filter according to claim 1, wherein the piezoelectric vibration region has a sector shape.

The thin film piezoelectric filter according to claim 1, wherein the shape of the piezoelectric vibration region is a regular triangle.

The thickness of the first electrode and the thickness of the second electrode are both 0.05 times or more of the vibration wavelength in the thickness direction, according to any one of claims 1 to 5 , Thin film piezoelectric filter .