JP5161698B2 - 圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタあるいは分波器 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタ、分波器あるいは通信機器に関する。
携帯電話に代表される無線機器の急速な普及により、小型で高性能なフィルタや分波器の需要が増加している。フィルタや分波器は、共振子を組み合わせて構成される。共振子には、これまでＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）が主に使用されてきたが、最近、低損失で、耐電力性、ＥＳＤ特性等に優れている圧電薄膜共振子の利用が増えつつある。
圧電薄膜共振子には、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプとＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)タイプがある。ＦＢＡＲは、基板上に、主要構成要素として、上部電極、圧電膜および下部電極が形成された構造を有し、上部電極と下部電極が対向する領域の下部電極の下方にキャビティが形成されている。キャビティの構造には、例えば、次の３種類がある。１つ目は、基板の表面から裏面まで貫通した形で設けられるキャビティである。２つ目は、基板表面に窪みを有する形で設けられるキャビティである。３つ目は、基板表面上にエアブリッジ方式で設けられるキャビティである。
ＳＭＲは、上記のキャビティの代わりに、音響インピーダンスが高い膜と低い膜を交互にλ/４（λ：弾性波の波長）の膜厚で積層し音響反射膜として利用する構造のものである。
ＦＢＡＲまたはＳＭＲにおいて、上部電極と下部電極間に高周波の電気信号を印加すると、上部電極と下部電極とが圧電膜を挟んで対向する領域（メンブレン領域）に、逆圧電効果によって、弾性波が励振される。また、圧電効果によって、弾性波による歪が、電気信号に変換される。この弾性波は、上部電極側端面と下部電極側端面でそれぞれ反射され、厚み方向に主変位を持つ厚み縦振動波となる。この構造では、メンブレン領域の合計膜厚Ｈが、弾性波の１／２波長の整数倍（ｎ倍）になる周波数において共振が起こる。材料によって決まる弾性波の伝搬速度をＶとすると、共振周波数Ｆは、Ｆ=ｎＶ／２Ｈとなる。この共振現象を利用して、膜厚によって共振周波数を制御することにより、所望の周波数特性を有する圧電薄膜共振子が作製される。
圧電薄膜共振子におけるＱの向上、特に反共振におけるＱの向上を図った従来技術として、圧電膜の外周部を、下部電極と上部電極が対向する領域の外周より内側に設けるものがある（例えば、特許文献１参照）。この構成により、横方向の弾性波の漏れが抑制され、反共振Ｑの向上が図られる。
特開２００７−３００４３０号公報
上記従来の構成では、上部電極と下部電極が対向する領域の外周部分の圧電膜が除去されている。したがって、この部分では下部電極膜のみでメンブレンを保持することになり、機械的強度が弱くなりやすい。
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、メンブレンの機械的強度を損なうことなく、圧電薄膜共振子のＱを向上させることを目的とする。
本願に開示する圧電薄膜共振子は、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た圧電膜と、前記圧電膜上に設けられた上部電極とを備え、前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界部分を跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて空隙が形成されており、前記空隙は、圧電膜の膜厚方向の一部に形成される。
対向領域の内側から外側にかけて、膜厚方向の一部に空隙が形成されることにより、メンブレンの機械的強度が損なわれることなく、横方向の弾性波の漏れが抑制される。そのため、機械的強度を保ちつつも、Ｑ（特に反共振Ｑ）の向上の図ることができる。
本願明細書の開示によれば、メンブレンの機械的強度を損なうことなく、圧電薄膜共振子のＱを向上させることが可能になる。
本発明の実施形態において、前記空隙は、前記圧電膜の一部が除去されて形成されてもよい。圧電膜の膜厚方向の一部が除去されるだけなので、メンブレンの機械的強度を損なうことなく、横方向の弾性波の漏れを抑制することができる。
本発明の実施形態において、前記空隙は、前記対向領域と外側との境界となっている前記上部電極のエッジを跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて前記圧電膜の上面または下面が除去されてなる態様とすることができる。この構成により、圧電膜の成膜後に空隙を形成できる。
本発明の実施形態において、前記空隙は、対向領域と外側との境界となっている前記下部電極のエッジを跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて前記圧電膜の上面または下面が除去されてなる態様とすることができる。
本発明の実施形態において、前記空隙は、前記圧電膜の上面と前記上部電極との間、あるいは前記圧電膜と前記下部電極との間に設けられてもよい。この構成においては、圧電膜は全く除去されないので、メンブレンの機械的強度を損なうことがない。
本発明の実施形態において、前記空隙の換わりに前記圧電膜とは音響特性の異なる絶縁体が設けられてもよい。この前記絶縁体によりメンブレンの機械的強度を保つことができる。
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た圧電膜と、前記圧電膜上に設けられた上部電極とを備え、前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界部分を跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて前記圧電膜とは音響特性の異なる絶縁体が形成されており、前記絶縁体は、前記圧電膜を貫通して形成されている圧電薄膜共振子も、本発明の実施形態の一つである。
この構成により、横方向の弾性波の漏れを抑制し反共振Ｑの向上を図ることができる。また、圧電膜が除去された部分には絶縁体が埋め込まれているのでメンブレンの機械的強度が損なわれることはない。
本発明の実施形態において、前記絶縁体は、前記圧電膜より音響インピーダンスが小さい態様であってもよい。これにより、横方向の弾性波の漏れをより効果的に抑制することが可能になる。
本発明の実施形態において、前記絶縁体は、前記圧電膜より音響インピーダンスが小さい態様であってもよい。これにより、横方向の弾性波の漏れをより効果的に抑制することが可能になる。
本発明の実施形態において、前記絶縁体は、酸化シリコンであってもよい。これにより、横方向の弾性波の漏れをさらに効果的に抑制することが可能になる。
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た圧電膜と、前記圧電膜上に設けられた上部電極と、前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界となっている前記下部電極のエッジを跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて、前記圧電膜を貫通する空隙が形成されており、前記下部電極のエッジに対向する前記上部電極は、前記対向領域の外側に延びて形成されている、圧電薄膜共振子も本発明の実施形態の一つである。
この構成により、横方向の弾性波の漏れを抑制し反共振Ｑの向上を図ることができる。また、下部電極のエッジに対向する上部電極は、前記対向領域の外側に延びて形成されているので、空隙が形成された領域では、上部電極膜でメンブレンが保持される構成になる。そのため、メンブレンの機械的強度が保たれる。
本発明の実施形態において、前記対向領域の下にキャビティが形成されており、前記キャビティは前記対向領域よりも広く形成されていてもよい。
キャビティが対向領域よりも狭い場合には、対向領域の周囲が基板に固定されたる。この基板に固定された対向領域の周囲において、所望の厚み縦振動が抑圧されるため、反共振Ｑが劣化する。しかし、上記構成のように、キャビティは対向領域よりも広く形成することにより、これらの劣化を抑止することができる。
本発明の実施形態において、前記圧電薄膜共振子の共振振動は厚み縦振動モードであってもよい。この厚み縦振動モードを利用した場合に、上記圧電薄膜共振子の構造において、横方向の弾性波の漏れをより効果的に抑制することが可能になる。その結果、Ｑ（特に反共振Ｑ）の向上を図ることができる。
上記圧電薄膜共振子を少なくとも一つ含むフィルタ、分波器または通信機器も本実施形態の一つである。高Ｑ化を図った圧電薄膜共振子を適用することにより、フィルタ、分波器あるいは通信機器の低損失化を実現することができる。
（第１の実施形態）
［圧電薄膜共振子の構成］
図１は、第１の実施形態にかかる圧電薄膜共振子（以下、ＦＢＡＲと称する）１０の構成を示す平面図およびＡ−Ａ線断面図である。図１に示すＦＢＡＲ１０においては、シリコン（Ｓｉ）の基板１上に下部電極２としてルテニウム（Ｒｕ）膜が設けられている。下部電極２の厚みは３００ｎｍである。下部電極２上に圧電膜３としてＡｌＮが、厚み１１００ｎｍで設けられている。圧電膜３を挟み下部電極２と対向する領域を有するように、圧電膜３上に上部電極４が設けられている。上部電極４は、厚さ３００ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）膜である。
［圧電薄膜共振子の構成］
図１は、第１の実施形態にかかる圧電薄膜共振子（以下、ＦＢＡＲと称する）１０の構成を示す平面図およびＡ−Ａ線断面図である。図１に示すＦＢＡＲ１０においては、シリコン（Ｓｉ）の基板１上に下部電極２としてルテニウム（Ｒｕ）膜が設けられている。下部電極２の厚みは３００ｎｍである。下部電極２上に圧電膜３としてＡｌＮが、厚み１１００ｎｍで設けられている。圧電膜３を挟み下部電極２と対向する領域を有するように、圧電膜３上に上部電極４が設けられている。上部電極４は、厚さ３００ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）膜である。
圧電膜３を挟み下部電極２と上部電極４が対向する領域（対向領域）Ｔの形状（上から見た形状）は楕円である。この楕円は、主軸１８０μｍ、副軸１５０μｍのサイズである。対向領域Ｔの下に、その対向領域Ｔの周縁よりも１ｕｍ大きいサイズのキャビティ５が設けられている。すなわち、キャビティ５は対向領域Ｔよりも幅広となっている。
この構成により、約２ＧＨｚの共振周波数を有するＦＢＡＲが得られる。下部電極２、圧電膜３、上部電極４は、それぞれ、例えばスパッタリング法による成膜、露光およびウェットエッチングまたはドライエッチングにより形成される。
ここで、上部電極４および下部電極２としては、上記の他に、アルミニウム（Ａｌ）、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）等を用いることができる。圧電膜３としては、上記窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の他に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）またはチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）等を用いることができる。また、基板１としては、シリコン（Ｓｉ）の他、ガラス等を用いることができる。
図１に示すＦＢＡＲでは、対向領域Ｔを規定する上部電極４のエッジにおいて、上部電極４側の圧電膜３の一部が除去され空隙８が形成されている。この空隙８は、投影面上で、上部電極４のエッジを跨ぐように設けられている。ここで、空隙８の深さｄ１は５００ｎｍである。この深さｄ１＝５００ｎｍは、圧電膜３の膜厚１１００ｎｍに対して約半分である。このように、圧電膜３の膜厚方向の一部に空隙８を設けることによって、ＦＡＢＲ１０のメンブレン領域の機械的強度は保った構成で、横方向の弾性波の漏れを抑制することができる。その結果、反共振Ｑが向上する。深さｄ１とＱの詳細な関係については後述する。
空隙８のうち上部電極４の下（対向領域Ｔの内側）にある部分の幅を表すｗｍ１、ｗｈ１はともに１μｍ、空隙８のうち上部電極４の外（対向領域Ｔの外側）にある部分の幅を表すｗｍ２、ｗｈ２はともに１μｍである。したがって、空隙８の対向領域Ｔの内側から外側にかけて全幅２μｍに渡って形成されている。
空隙８は、下部電極２、圧電膜３および上部電極４を形成した後に、例えば、空隙８を形成する箇所以外をマスクしてウェットエッチングするか、あるいは、ドライエッチング法を用いたエッチングにより形成することができる。
［構成の変形例］
図２（ａ）は、本実施形態の変形例にかかるＦＡＢＲ１１の構成を示す断面図である。図２（ａ）に示すＦＢＡＲ１１では、下部電極２と上部電極４が対向する対向領域Ｔを規定する上部電極４のエッジにおいて、下部電極２側の圧電膜３ａの表面が除去され空隙８ａが形成されている。空隙８ａは、投影面上で、上部電極４のエッジを跨ぐように設けられている。ここで、空隙８ａの深さｄ２は５００ｎｍである。ｗｍ１、ｗｈ１、ｗｍ２およびｗｈ２の長さは、いずれも図１に示すＦＢＡＲ１０と同様に１μｍである。
図２（ａ）は、本実施形態の変形例にかかるＦＡＢＲ１１の構成を示す断面図である。図２（ａ）に示すＦＢＡＲ１１では、下部電極２と上部電極４が対向する対向領域Ｔを規定する上部電極４のエッジにおいて、下部電極２側の圧電膜３ａの表面が除去され空隙８ａが形成されている。空隙８ａは、投影面上で、上部電極４のエッジを跨ぐように設けられている。ここで、空隙８ａの深さｄ２は５００ｎｍである。ｗｍ１、ｗｈ１、ｗｍ２およびｗｈ２の長さは、いずれも図１に示すＦＢＡＲ１０と同様に１μｍである。
図２（ａ）に示す空隙８ａは、例えば、下部電極２を形成してから空隙８ａとなる領域に犠牲層を形成し、圧電膜３ａおよび上部電極４を形成した後に犠牲層を除去することによって形成することができる。
図２（ｂ）は、本実施形態の他の変形例にかかるＦＡＢＲ１３の構成を示す断面図である。図２（ｂ）に示すＦＢＡＲ１３では、下部電極２と上部電極４ｂが対向する対向領域Ｔを規定する上部電極４ｂのエッジにおいて、上部電極４ｂと圧電膜３ｂの表面と間に空隙８ｂが設けられている。すなわち、上部電極４ｂのエッジが圧電膜３ｂ表面から離れることにより空隙８ｂが形成されている。ここで、空隙８ｂの高さｄ３は５０ｎｍ、空隙の幅ｗｍ１、ｗｈ１はともに１μｍである。
図２（ｂ）に示す空隙８ｂは、例えば、圧電膜３ｂを形成してから空隙８ｂとなる領域に犠牲層を形成し、上部電極４ｂを形成した後に犠牲層を除去することによって形成することができる。図２（ｂ）に示す構成は、製造の容易性においてメリットがある。
図３（ａ）は、参考のためＦＢＡＲの構造例である。図３（ａ）に示すＦＢＡＲ１２では、下部電極２と上部電極４が対向する対向領域Ｔを規定する上部電極４のエッジにおいて、圧電膜３ｃの一部が除去され膜厚方向に貫通するような空隙８ｃが形成されている。空隙８ｃは、投影面上で、上部電極４のエッジを跨ぐように設けられている。
図３（ｂ）も、参考のためＦＢＡＲの構造例である。図３（ｂ）に示すＦＢＡＲ９では、下部電極２と上部電極４が対向する対向領域Ｔに空隙は設けられていない。
［ＦＢＡＲの構造と反共振Ｑの関係］
図４は、上記の５つのＦＢＡＲ９〜１３それぞれの反共振Ｑを示すグラフである。反共振Ｑの改善度合いを見ると、圧電膜に空隙がないＦＢＡＲ９に対し、圧電膜と上部電極間に空隙があるＦＢＡＲ１３で約１２０向上、圧電膜に空隙があるＦＢＡＲ１０、１１、１２で約２４０向上している。
図４は、上記の５つのＦＢＡＲ９〜１３それぞれの反共振Ｑを示すグラフである。反共振Ｑの改善度合いを見ると、圧電膜に空隙がないＦＢＡＲ９に対し、圧電膜と上部電極間に空隙があるＦＢＡＲ１３で約１２０向上、圧電膜に空隙があるＦＢＡＲ１０、１１、１２で約２４０向上している。
［空隙の厚みと反共振Ｑの関係］
図５（ａ）は、図１に示すＦＡＢＲ１０における空隙８の深さｄ１を変化させた場合の反共振Ｑの変化を示すグラフである。図５（ｂ）は、図２（ａ）に示すＦＡＢＲ１１における空隙８ａの深さｄ２を変化させた場合の反共振Ｑの変化を示すグラフである。図５（ａ）および図５（ｂ）に示す結果より、空隙の深さを圧電膜の厚み(１１００ｎｍ)の約半分以上にすることにより、反共振Ｑが飽和することがわかる。したがって、空隙の深さは、圧電膜の厚みの１／２程度であることが好ましいといえる。
図５（ａ）は、図１に示すＦＡＢＲ１０における空隙８の深さｄ１を変化させた場合の反共振Ｑの変化を示すグラフである。図５（ｂ）は、図２（ａ）に示すＦＡＢＲ１１における空隙８ａの深さｄ２を変化させた場合の反共振Ｑの変化を示すグラフである。図５（ａ）および図５（ｂ）に示す結果より、空隙の深さを圧電膜の厚み(１１００ｎｍ)の約半分以上にすることにより、反共振Ｑが飽和することがわかる。したがって、空隙の深さは、圧電膜の厚みの１／２程度であることが好ましいといえる。
［空隙の対向領域Ｔの境界に対する相対位置と反共振Ｑの関係］
図６は、図１に示すＦＢＡＲ１における空隙のオフセット量を説明するための図である。右側の空隙８に関して言えば、上部電極４のエッジの位置（対向領域Ｔと外側との境界）ＥＲを基準にして、オフセット量を定義する。ここでは、空隙８の内側壁ＫＲｕがエッジＥＲに位置する場合をオフセット量＝０とする。対向領域Ｔの内側を−側、外側を＋側とする。同様に、左側の空隙８に関しても、上記右側の空隙８と同様に、空隙８の内側壁ＫＬｕがエッジＲＬに位置する場合をオフセット量＝０とし、対向領域Ｔの内側を−側、外側を＋側とする。なお、図右側の空隙８の内側壁ＫＲｕと、図左側の空隙８の内側壁ＫＬｕは、互いにミラー関係になるような方向に同じ移動量動かすこととする。
図６は、図１に示すＦＢＡＲ１における空隙のオフセット量を説明するための図である。右側の空隙８に関して言えば、上部電極４のエッジの位置（対向領域Ｔと外側との境界）ＥＲを基準にして、オフセット量を定義する。ここでは、空隙８の内側壁ＫＲｕがエッジＥＲに位置する場合をオフセット量＝０とする。対向領域Ｔの内側を−側、外側を＋側とする。同様に、左側の空隙８に関しても、上記右側の空隙８と同様に、空隙８の内側壁ＫＬｕがエッジＲＬに位置する場合をオフセット量＝０とし、対向領域Ｔの内側を−側、外側を＋側とする。なお、図右側の空隙８の内側壁ＫＲｕと、図左側の空隙８の内側壁ＫＬｕは、互いにミラー関係になるような方向に同じ移動量動かすこととする。
図７は、このように、上部電極４のエッジの位置に対する空隙８の内側壁の位置を空隙８のオフセット量として横軸にとった場合の反共振Ｑの変化を示すグラフである。図７に示すグラフより、オフセット量が０〜２μｍにおいて、反共振Ｑが向上している。すなわち、投影面上で、空隙８が対向領域の境界となる上部電極４のエッジを跨ぐような位置にある場合に、反共振Ｑが向上すると言える。
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態にかかるＦＢＡＲ１４の構成を示す断面図である。ＦＢＡＲ１４は、図１に示したＦＢＡＲ１０の空隙８を絶縁体８ｄに置き換えた構成である。絶縁体８ｄの音響インピーダンスは、圧電膜３の音響インピーダンスと異なっている。音響インピーダンスＺは、例えば、下記式（１）で表される。
図８は、第２の実施形態にかかるＦＢＡＲ１４の構成を示す断面図である。ＦＢＡＲ１４は、図１に示したＦＢＡＲ１０の空隙８を絶縁体８ｄに置き換えた構成である。絶縁体８ｄの音響インピーダンスは、圧電膜３の音響インピーダンスと異なっている。音響インピーダンスＺは、例えば、下記式（１）で表される。
Ｚ＝√(ρ×Ｅ) ――――（１）
（ρ：密度、Ｅ：ヤング率）
図９は、絶縁体８ｄの音響インピーダンスを変化させた場合の反共振Ｑの変化を示すグラフである。ここで、Ｚｉは絶縁体８ｄの音響インピーダンスを表す。Ｚｐは圧電膜３（ＡｌＮ）の音響インピーダンスを表す。よって、横軸のＺｉ／Ｚｐは規格化音響インピーダンスを表している。なお、グラフでは、空隙８の場合の反共振Ｑは、Ｚｉ／Ｚｐを０としてプロットしている。図９に示すグラフは、Ｚｉ／Ｚｐが小さい方が、すなわち、絶縁体８ｄの音響インピーダンスが小さい方が、反共振Ｑが向上することを示している。実用的な低音響インピーダンスの絶縁体材料としては、例えば、酸化シリコン(ＳｉＯ2)がある。この酸化シリコン(ＳｉＯ2)を使用した場合には、空隙８とほぼ同じ反共振Ｑが得られる。以上より、大まかに言って、Ｚｉ／Ｚｐが１より小さい場合、すなわち、絶縁体８ｄの音響インピーダンスが圧電膜３の音響インピーダンスより小さい場合に、反共振Ｑが向上すると言える。
（ρ：密度、Ｅ：ヤング率）
図９は、絶縁体８ｄの音響インピーダンスを変化させた場合の反共振Ｑの変化を示すグラフである。ここで、Ｚｉは絶縁体８ｄの音響インピーダンスを表す。Ｚｐは圧電膜３（ＡｌＮ）の音響インピーダンスを表す。よって、横軸のＺｉ／Ｚｐは規格化音響インピーダンスを表している。なお、グラフでは、空隙８の場合の反共振Ｑは、Ｚｉ／Ｚｐを０としてプロットしている。図９に示すグラフは、Ｚｉ／Ｚｐが小さい方が、すなわち、絶縁体８ｄの音響インピーダンスが小さい方が、反共振Ｑが向上することを示している。実用的な低音響インピーダンスの絶縁体材料としては、例えば、酸化シリコン(ＳｉＯ2)がある。この酸化シリコン(ＳｉＯ2)を使用した場合には、空隙８とほぼ同じ反共振Ｑが得られる。以上より、大まかに言って、Ｚｉ／Ｚｐが１より小さい場合、すなわち、絶縁体８ｄの音響インピーダンスが圧電膜３の音響インピーダンスより小さい場合に、反共振Ｑが向上すると言える。
なお、上記第１の実施形態における他のＦＢＡＲ１１、１４についても、空隙８ａ、８ｂを絶縁体に置き換えた構造にしてもよい。このように空隙を絶縁体に置き換えることにより、メンブレン領域の機械的強度が損なわれにくくなる。
（第３の実施形態）
図１０は、第３の実施形態にかかるＦＢＡＲ１５の構成を示す平面図およびＢ−Ｂ線断面図である。上記第１の実施形態におけるＦＢＡＲ１０（図１）では、上から見た場合に、対向領域Ｔの周縁全体に沿って空隙８が形成されていた。これに対して、図１０に示すＦＢＡＲ１５では、対向領域Ｔの周縁の一部に空隙８ｅが形成されている。ＦＢＡＲ１５では、上から見た場合、上部電極４ｅのエッジが対向領域Ｔとその外側との境界を規定している部分に空隙８ｅが形成されている。また、空隙８ｅは、圧電膜３ｅの上部電極４ｅ側の表面が除去されることにより形成されている。なお、ＦＢＡＲ１５においても、ｗｈ１およびｗｈ２は、ＦＢＡＲ１０と同様に１μｍである。このように、対向領域Ｔとその外側との境界の一部に空隙を設けても、横方向の弾性波の漏れを抑制することができる。
図１０は、第３の実施形態にかかるＦＢＡＲ１５の構成を示す平面図およびＢ−Ｂ線断面図である。上記第１の実施形態におけるＦＢＡＲ１０（図１）では、上から見た場合に、対向領域Ｔの周縁全体に沿って空隙８が形成されていた。これに対して、図１０に示すＦＢＡＲ１５では、対向領域Ｔの周縁の一部に空隙８ｅが形成されている。ＦＢＡＲ１５では、上から見た場合、上部電極４ｅのエッジが対向領域Ｔとその外側との境界を規定している部分に空隙８ｅが形成されている。また、空隙８ｅは、圧電膜３ｅの上部電極４ｅ側の表面が除去されることにより形成されている。なお、ＦＢＡＲ１５においても、ｗｈ１およびｗｈ２は、ＦＢＡＲ１０と同様に１μｍである。このように、対向領域Ｔとその外側との境界の一部に空隙を設けても、横方向の弾性波の漏れを抑制することができる。
なお、図１０の平面図に示すように、下部電極２ｅが対向領域Ｔの外側に延びて設けられている領域（下部電極２ｅの回し込み領域）の全体に渡って空隙８ｅが形成されている。これにより、下部電極２ｅの回し込み領域の一部に設ける場合に比べて、特性改善効果が大きくなる。
（第４の実施形態）
図１１は、第４の実施形態にかかるＦＢＡＲ１６の構成を示す平面図およびＢ−Ｂ線断面図である。ＦＢＡＲ１６では、ＦＢＡＲ１５の構成に加え、さらに、下部電極２ｅのエッジが対向領域Ｔとその外側との境界を規定している部分に空隙８ｆが形成されている。ＦＢＡＲ１６における空隙８ｆは、下部電極２ｅと上部電極４ｅが対向する対向領域Ｔを規定する下部電極２ｅのエッジにおいて、圧電膜３ｅの一部が除去され膜厚方向に貫通するように形成されている。空隙８ｆは、投影面上で、下部電極２ｅのエッジを跨ぐように設けられている。ＦＢＡＲ１６において、空隙８ｆにおける対向領域Ｔの内側にある部分の長さｗｈ１および外側の長さｗｈ２は、ともに１μｍである。したがって、空隙８ｆの全幅は２μｍである。
図１１は、第４の実施形態にかかるＦＢＡＲ１６の構成を示す平面図およびＢ−Ｂ線断面図である。ＦＢＡＲ１６では、ＦＢＡＲ１５の構成に加え、さらに、下部電極２ｅのエッジが対向領域Ｔとその外側との境界を規定している部分に空隙８ｆが形成されている。ＦＢＡＲ１６における空隙８ｆは、下部電極２ｅと上部電極４ｅが対向する対向領域Ｔを規定する下部電極２ｅのエッジにおいて、圧電膜３ｅの一部が除去され膜厚方向に貫通するように形成されている。空隙８ｆは、投影面上で、下部電極２ｅのエッジを跨ぐように設けられている。ＦＢＡＲ１６において、空隙８ｆにおける対向領域Ｔの内側にある部分の長さｗｈ１および外側の長さｗｈ２は、ともに１μｍである。したがって、空隙８ｆの全幅は２μｍである。
空隙８ｆが設けられる場所では、上部電極４ｅは、対向領域Ｔの外側へ延びて形成されている。そのため、圧電膜３ｅが除去された部分（空隙８ｆ）では、上部電極４ｅでメンブレンを保持することになる。図示しないが、上部電極４ｅの上にはさらに保護膜が設けられてもよい。その場合、メンブレンの機械的強度は、下部電極２ｅのみでメンブレンを保持する構造より強くなる。
図１２（ａ）は、本実施形態の変形例にかかるＦＢＡＲ１７の構成を示す断面図である。ＦＢＡＲ１７では、下部電極２ｅと上部電極４ｅが対向する対向領域Ｔを規定する下部電極２ｅのエッジにおいて、上部電極４ｅ側の圧電膜３ｇの一部が除去され、空隙８ｇが形成されており、空隙８ｇは、投影面上で、下部電極２ｅのエッジを跨ぐように設けられている。空隙８ｇの深さｄ４は５００ｎｍである。
図１２（ｂ）は、本実施形態の他の変形例にかかるＦＢＡＲ１８の構成を示す断面図である。ＦＢＡＲ１８は、下部電極２ｅと上部電極４ｅが対向する対向領域Ｔを規定する下部電極２ｅのエッジにおいて、下部電極２ｅ側の圧電膜３ｈの一部が除去され空隙８ｈが形成されており、空隙８ｈは、投影面上で、下部電極２ｅのエッジを跨ぐように設けられている。ここで、空隙８ｈの深さｄ５は５００ｎｍである。
図１３は、上記４つのＦＢＡＲ１５〜１８の反共振Ｑを示すグラフである。グラフの示す反共振Ｑの改善度合いを見ると、ＦＢＡＲ１５に対し、ＦＢＡＲ１６〜１８で約６５０〜７００反共振Ｑが向上している。ＦＢＡＲ１６〜１８は、対向領域Ｔの境界を形成する下部電極２ｅのエッジを跨ぐように空隙が形成される構造を有している。そのため、下部電極２ｅのエッジに、投影面上で、下部電極２ｅのエッジを跨ぐように空隙を設けることにより、反共振Ｑが向上すると言える。
［対向領域とキャビティの関係］
図１４は、対向領域Ｔとキャビティとの関係を説明するための図である。図１４に示すＢＡＲ１７は、図１２（ａ）に示したＦＡＢＲ１７と同様の構成である。ここでは、圧電膜３ｇを挟んで下部電極２ｅと上部電極４ｅが対向する対向領域Ｔの下に形成されるキャビティ５のサイズが反共振Ｑに及ぼす影響について説明する。図の左側において、キャビティ５の左側壁の位置ＣＬｓが、対向領域Ｔの外側との境界を規定する上部電極４ｅのエッジＥＬと一致する点をオフセット量＝０とし、対向領域Ｔの内側を−側、外側を＋側とする。同様に、図の右側においても、キャビティ５の右側壁の位置ＣＲｓが、対向領域Ｔの境界を規定する下部電極２ｅのエッジＥＲと一致する点をオフセット量＝０とし、対向領域Ｔの内側を−側、外側を＋側とする。なお、キャビティの右側壁の位置ＣＲｓと、左側壁側の位置ＣＬｓは、互いにミラー関係になるような方向に同じ移動量動かすこととする。
図１４は、対向領域Ｔとキャビティとの関係を説明するための図である。図１４に示すＢＡＲ１７は、図１２（ａ）に示したＦＡＢＲ１７と同様の構成である。ここでは、圧電膜３ｇを挟んで下部電極２ｅと上部電極４ｅが対向する対向領域Ｔの下に形成されるキャビティ５のサイズが反共振Ｑに及ぼす影響について説明する。図の左側において、キャビティ５の左側壁の位置ＣＬｓが、対向領域Ｔの外側との境界を規定する上部電極４ｅのエッジＥＬと一致する点をオフセット量＝０とし、対向領域Ｔの内側を−側、外側を＋側とする。同様に、図の右側においても、キャビティ５の右側壁の位置ＣＲｓが、対向領域Ｔの境界を規定する下部電極２ｅのエッジＥＲと一致する点をオフセット量＝０とし、対向領域Ｔの内側を−側、外側を＋側とする。なお、キャビティの右側壁の位置ＣＲｓと、左側壁側の位置ＣＬｓは、互いにミラー関係になるような方向に同じ移動量動かすこととする。
図１５は、上記のように、上部電極４ｅおよび下部電極２ｅのエッジの位置に対するキャビティ５の外側壁の位置をオフセット量として横軸にとった場合の反共振Ｑの変化を示すグラフである。グラフから、オフセット量が０μｍ以下の場合には、反共振Ｑが劣化していることがわかる。したがって、キャビティ５を対向領域Ｔよりも幅広にすることで、反共振Ｑを劣化させないようにできることがわかる。なお、上記第１〜３の実施形態においても、キャビティ５を対向領域Ｔより幅広にすることで、同様の効果を得ることができる。
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、上記第１〜４の実施形態のＦＢＡＲを用いたフィルタおよび分波器に関する。図１６は、第５の実施形態にかかるフィルタ３０の等価回路図である。図１６に示すように、共振器を、直列腕と並列腕にラダー型に配置し接続することによって、所定の通過帯域を有するバンドパスフィルタが得られる。このタイプのフィルタは、一般にラダー型フィルタと呼ばれる。
第５の実施形態は、上記第１〜４の実施形態のＦＢＡＲを用いたフィルタおよび分波器に関する。図１６は、第５の実施形態にかかるフィルタ３０の等価回路図である。図１６に示すように、共振器を、直列腕と並列腕にラダー型に配置し接続することによって、所定の通過帯域を有するバンドパスフィルタが得られる。このタイプのフィルタは、一般にラダー型フィルタと呼ばれる。
図１６に示すフィルタ３０では、入力端子Ｉｎ−出力端子Ｏｕｔ間の直列腕に接続された直列共振器Ｓ１〜Ｓ４と、入力端子Ｉｎ−出力端子Ｏｕｔ間の線路とグランドとの間（並列腕）に接続された並列共振器Ｐ１〜Ｐ３を備える。これらの直列共振器および並列共振器Ｐ１〜Ｐ３は、上記第１〜４の実施形態のＦＢＡＲ１０、１１、１３〜１８のいずれかの構成を有する。
図１７は、図１６に示すフィルタ３０の構成を示す平面図である。図１８は、図１７のＡ−Ａ線断面図である。直列共振器Ｓ１〜Ｓ４および並列共振器Ｐ１〜Ｐ３は、上部電極４および下部電極２が圧電膜３を挟んで対向する対向領域Ｔに形成される。これらの７つの共振器は、エアブリッジ型のキャビティ５上に形成されている。なお、図示しないが、並列腕の並列共振器Ｐ１〜Ｐ３については、上部電極の３００ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）膜上に１１０のチタン（Ｔｉ）を設けている。
直列共振器Ｓ１〜Ｓ４および並列共振器Ｐ１〜Ｐ３は、例えば、図１２（ａ）に示したＦＢＡＲ１７の構成と同様にすることができる。図１８に示すように、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４においては、対向領域Ｔの境界となっている上部電極４のエッジを跨ぐように空隙８ｆが形成される。さらに、対向領域Ｔの境界となっている下部電極２のエッジを跨ぐように、空隙８ｅが形成される。これにより、機械的強度を保ちながらも、フィルタ特性を向上させることができる。
さらに、このようなバンドパスフィルタを２個並列接続した分波器も、本実施形態の一つである。図１９は、分波器４０の構成を表す概略図である。図１９に示す分波器４０では、送信用フィルタ４２がアンテナ端子と送信端子の間に、受信用フィルタ４３がアンテナ端子と受信端子の間に配置される。アンテナ端子と各フィルタ間には、インピーダンス調整のために、必要に応じ整合回路（例えば位相器）４１が付加されてもよい。分波器４０は、送信信号と受信信号を分離する役割を担う。例えば、ＣＤＭＡシステムの携帯電話のアンテナ直下で使用される。
こうしたフィルタや分波器には、送信系に使用される場合には低消費電力の観点から、受信系に使用される場合には受信感度向上の観点から、低損失化が求められる。高Ｑ化がなされた上記第１〜４の実施形態のＦＢＡＲ１０、１１、１３〜１８のいずれかを使用してフィルタや分波器を構成することにより、フィルタや分波器の低損失化を図ることができる。なお、このようなフィルタや分波器を含む通信機器も本発明の実施形態の一つである。
以上のように、上記実施形態では、下部電極あるいは上部電極のエッジに、前記エッジを跨ぐように空隙あるいは絶縁体が埋め込まれた領域が設けられる。この構成により、ＦＢＡＲの高Ｑ化を図ることができる。そして、このＦＢＡＲをフィルタあるいは分波器に適用することにより低損失化が可能になる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は係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。
例えば、基板、電極膜、圧電膜の各材料は上記実施形態のものに限定されず、他の材料を使用してもよい。
また、上記実施形態の膜構成はＦＢＡＲの主要構成要素のみを記したものである。例えば、下部電極の下や上部電極の上に誘電体膜がさらに設けられていてもよい。下部電極の下の誘電体膜は、例えば、補強材として、あるいはエッチングのストップ層としての役割を担うことができる。上部電極の上の誘電体膜は、例えば、パシベーション膜あるいは周波数調整用としての役割を担うことができる。
また、上記実施形態のキャビティは、基板を貫通する孔の形状であったが、キャビティの構造は、これに限定されない、例えば、基板表面に窪みを有する形で設けられるキャビティ、あるいは、基板表面上にエアブリッジ方式で設けられるキャビティであってもよい。また、キャビティの代わりに音響反射膜を使用するＳＭＲ構造であってもよい。
また、上記実施形態の圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する対向領域は楕円形状であったが、これに限定されず、例えば、非方形やその他の形状であってもよい。
また、上記実施形態の下部電極、上部電極、あるいは圧電膜の先端部の端面は基板に対して約９０度であるのみである場合を図示したが、膜の尖端部の形状はこれに限定されず、例えば、テーパーを有していても良い。
また、上記実施形態の下部電極、あるいは上部電極のエッジに形成される空隙は、四角形状のみを図示したが、これに限定されず、他の形状であっても良い。上記実施例の空隙の幅は、２μｍである場合を例示したが、下部電極と上部電極が対向する対向領域から離れる方向には、拡幅してもかまわない。上記実施形態の空隙の深さは、一例として、５００ｎｍである場合を例示したが、これに限定されず、違った深さでも良い。
また、圧電膜の除去された部分に絶縁体を設けた例は、特許請求の範囲に記載された本発明のいずれの圧電薄膜共振子に適用してもほぼ空隙の場合と同様な特性が得られる。
以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記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た圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた上部電極とを備え、
前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界部分を跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて空隙が形成されており、
前記空隙は、圧電膜の膜厚方向の一部に形成される、圧電薄膜共振子。
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た圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた上部電極とを備え、
前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界部分を跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて空隙が形成されており、
前記空隙は、圧電膜の膜厚方向の一部に形成される、圧電薄膜共振子。
（付記２）
前記空隙は、前記圧電膜の一部が除去されて形成される、付記１に記載の圧電薄膜共振子。
前記空隙は、前記圧電膜の一部が除去されて形成される、付記１に記載の圧電薄膜共振子。
（付記３）
前記空隙は、前記対向領域と外側との境界となっている前記上部電極のエッジを跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて前記圧電膜の上面または下面が除去されてなる、付記２に記載の圧電薄膜共振子。
前記空隙は、前記対向領域と外側との境界となっている前記上部電極のエッジを跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて前記圧電膜の上面または下面が除去されてなる、付記２に記載の圧電薄膜共振子。
（付記４）
前記空隙は、対向領域と外側との境界となっている前記下部電極のエッジを跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて前記圧電膜の上面または下面が除去されてなる、付記２に記載の圧電薄膜共振子。
前記空隙は、対向領域と外側との境界となっている前記下部電極のエッジを跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて前記圧電膜の上面または下面が除去されてなる、付記２に記載の圧電薄膜共振子。
（付記５）
前記空隙は、前記圧電膜の上面と前記上部電極との間、あるいは前記圧電膜と前記下部電極との間に設けられる、付記１に記載の圧電薄膜共振子。
前記空隙は、前記圧電膜の上面と前記上部電極との間、あるいは前記圧電膜と前記下部電極との間に設けられる、付記１に記載の圧電薄膜共振子。
（付記６）
前記空隙の換わりに前記圧電膜とは音響特性の異なる絶縁体が設けられる、付記１〜５のいずれか１項に記載の圧電共振子。
前記空隙の換わりに前記圧電膜とは音響特性の異なる絶縁体が設けられる、付記１〜５のいずれか１項に記載の圧電共振子。
（付記７）
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た圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた上部電極とを備え、
前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界部分を跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて前記圧電膜とは音響特性の異なる絶縁体が形成されており、
前記絶縁体は、前記圧電膜を貫通して形成されている圧電薄膜共振子。
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た圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた上部電極とを備え、
前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界部分を跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて前記圧電膜とは音響特性の異なる絶縁体が形成されており、
前記絶縁体は、前記圧電膜を貫通して形成されている圧電薄膜共振子。
（付記８）
前記絶縁体は、前記圧電膜より音響インピーダンスが小さいことを特徴とする付記６または７に記載の圧電薄膜共振子。
前記絶縁体は、前記圧電膜より音響インピーダンスが小さいことを特徴とする付記６または７に記載の圧電薄膜共振子。
（付記９）
前記絶縁体は、酸化シリコンであることを特徴とする付記６または７に記載の圧電薄膜共振子。
前記絶縁体は、酸化シリコンであることを特徴とする付記６または７に記載の圧電薄膜共振子。
（付記１０）
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た圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた上部電極と、
前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界となっている前記下部電極のエッジを跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて、前記圧電膜を貫通する空隙が形成されており、
前記下部電極のエッジに対向する前記上部電極は、前記対向領域の外側に延びて形成されている、圧電薄膜共振子。
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た圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた上部電極と、
前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界となっている前記下部電極のエッジを跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて、前記圧電膜を貫通する空隙が形成されており、
前記下部電極のエッジに対向する前記上部電極は、前記対向領域の外側に延びて形成されている、圧電薄膜共振子。
（付記１１）
前記対向領域の下にキャビティが形成されており、前記キャビティは前記対向領域よりも広く形成されている付記１〜１０のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子。
前記対向領域の下にキャビティが形成されており、前記キャビティは前記対向領域よりも広く形成されている付記１〜１０のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子。
（付記１２）
前記圧電薄膜共振子の共振振動は厚み縦振動モードであることを特徴とする付記１〜１１のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子。
前記圧電薄膜共振子の共振振動は厚み縦振動モードであることを特徴とする付記１〜１１のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子。
（付記１３）
付記１〜１２のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子を少なくとも一つ含むフィルタ。
付記１〜１２のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子を少なくとも一つ含むフィルタ。
（付記１４）
付記１〜１２のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子を少なくとも一つ含む分波器。
付記１〜１２のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子を少なくとも一つ含む分波器。
（付記１５）
付記１〜１２のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子を少なくとも一つ含む通信機器。
付記１〜１２のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子を少なくとも一つ含む通信機器。
１ 基板
２ 下部電極
３ 圧電膜
４ 上部電極
５ キャビティ
８ 空隙
９〜１８ ＦＢＡＲ
３０ フィルタ
４０ 分波器
２ 下部電極
３ 圧電膜
４ 上部電極
５ キャビティ
８ 空隙
９〜１８ ＦＢＡＲ
３０ フィルタ
４０ 分波器
Claims (8)
- 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た圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた上部電極とを備え、
前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界部分を跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて空隙が形成されており、
前記空隙は、圧電膜の膜厚方向の一部に形成される、圧電薄膜共振子。 - 前記空隙は、前記圧電膜の一部が除去されて形成される、請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記空隙は、対向領域と外側との境界となっている前記下部電極のエッジを跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて前記圧電膜の上面または下面が除去されてなる、請求項２に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記空隙は、前記圧電膜の上面と前記上部電極との間、あるいは前記圧電膜と前記下部電極との間に設けられる、請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記空隙の換わりに前記圧電膜とは音響特性の異なる絶縁体が設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電共振子。
- 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た圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた上部電極とを備え、
前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界部分を跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて前記圧電膜とは音響特性の異なる絶縁体が形成されており、
前記絶縁体は、前記圧電膜を貫通して形成されている圧電薄膜共振子。 - 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た圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた上部電極と、
前記上部電極および前記下部電極が対向する対向領域と外側との境界となっている前記下部電極のエッジを跨ぐように前記対向領域の内側から外側にかけて、前記圧電膜を貫通する空隙が形成されており、
前記下部電極のエッジに対向する前記上部電極は、前記対向領域の外側に延びて形成されている、圧電薄膜共振子。 - 請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子を少なくとも一つ含むフィルタ。
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