JP5591977B2 - Piezoelectric thin film resonator, filter, duplexer, communication module, and communication device - Google Patents

Piezoelectric thin film resonator, filter, duplexer, communication module, and communication device Download PDF

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本発明は、携帯電話、PHS、無線LANなどの移動体通信、高周波無線通信で使用する薄膜バルク弾性波共振器(FBAR:Film Acoustic Bulk Resonator)に関する。また、圧電薄膜共振器を用いたフィルタ、デュープレクサ、通信モジュール、および通信装置に関する。   The present invention relates to a thin film bulk acoustic wave resonator (FBAR) used in mobile communication such as a mobile phone, PHS, and wireless LAN, and high-frequency wireless communication. The present invention also relates to a filter, a duplexer, a communication module, and a communication device using a piezoelectric thin film resonator.

近年、高周波通信用のフィルタ素子として圧電材料の厚み縦振動を利用した共振子であるFBARが注目されている。   In recent years, an FBAR, which is a resonator using the thickness longitudinal vibration of a piezoelectric material, has attracted attention as a filter element for high-frequency communication.

図23は、FBARの平面図である。図24は、図23におけるA−A部の断面図である。図23及び図24に示すように、FBARは圧電膜103を上部電極101と下部電極102とで挟み込んだ構造で、上部電極101と下部電極102とが対向して形成される領域(以下、共振部R1と呼ぶ)が実際的な共振器となっている。共振部R1の上下に空隙105あるいは音響反射器を設けることで、共振部R1に生じた弾性波を減衰させず、クオリティファクタ(Q)の高い共振特性を得ることができる。   FIG. 23 is a plan view of the FBAR. 24 is a cross-sectional view taken along a line AA in FIG. As shown in FIGS. 23 and 24, the FBAR has a structure in which the piezoelectric film 103 is sandwiched between the upper electrode 101 and the lower electrode 102, and a region where the upper electrode 101 and the lower electrode 102 are opposed to each other (hereinafter referred to as resonance). (Referred to as part R1) is a practical resonator. By providing the gap 105 or the acoustic reflector above and below the resonance part R1, it is possible to obtain resonance characteristics with a high quality factor (Q) without attenuating the elastic wave generated in the resonance part R1.

図25に示すように、圧電薄膜共振器では、厚み振動の共振周波数及び反共振周波数に近い周波数帯において、横方向の伝播成分を持った振動モード(横モード)が存在する。横モードの波W1は、共振部R1の端部で反射するか(反射波W2)、共振部R1の端部を透過して非共振部R2へ伝播する。非共振部R2へ伝播する波は、損失となってしまう(例えば、反射特性をスミスチャート表示するとQ円が小さく見える)。実際の共振器構造を鑑みるに、図26及び図27(a)に示すように、製造上、上部電極101及び下部電極102の端部には傾斜があり、図7(b)に示すように、非共振部R2に向けて徐々に圧電膜103の見かけの音響インピーダンスが小さくなっている(なお、音響インピーダンスZは、材料の密度ρと音速cの積、音速は圧電膜上に質量が付加されると変化するため、質量付加なしの場合の固有の音響インピーダンスに対して見かけの音響インピーダンスが存在する。本明細書中においては、音響インピーダンス=見かけの音響インピーダンス、と定義する)。   As shown in FIG. 25, the piezoelectric thin film resonator has a vibration mode (transverse mode) having a propagation component in the lateral direction in a frequency band close to the resonance frequency and antiresonance frequency of the thickness vibration. The transverse mode wave W1 is reflected at the end of the resonance part R1 (reflected wave W2) or transmitted through the end of the resonance part R1 and propagates to the non-resonance part R2. The wave propagating to the non-resonant portion R2 becomes a loss (for example, when the reflection characteristic is displayed on the Smith chart, the Q circle looks small). In view of the actual resonator structure, as shown in FIG. 26 and FIG. 27A, the ends of the upper electrode 101 and the lower electrode 102 are inclined in manufacturing, as shown in FIG. 7B. The apparent acoustic impedance of the piezoelectric film 103 gradually decreases toward the non-resonant portion R2 (note that the acoustic impedance Z is the product of the material density ρ and the sound velocity c, and the sound velocity is a mass added on the piezoelectric film. The apparent acoustic impedance exists for the inherent acoustic impedance without mass addition, defined herein as acoustic impedance = apparent acoustic impedance).

理論によれば、ポアソン比が1/3以下の圧電薄膜を用いた共振器では、共振部より周辺部の音響インピーダンスが小さいと横モードの波が端部を透過し損失になり易い。また、実際に光学観測により共振器の外部に漏洩波が存在することが分かっており、漏洩波を防止することが課題になっている。   According to theory, in a resonator using a piezoelectric thin film having a Poisson's ratio of 1/3 or less, if the acoustic impedance of the peripheral portion is smaller than that of the resonant portion, a transverse mode wave is likely to pass through the end portion and become a loss. In addition, it has been found by optical observation that leakage waves exist outside the resonator, and it is a problem to prevent the leakage waves.

横波の漏洩防止に関する従来技術としては、例えば特許文献1及び2に開示されたものがある。特許文献1及び2には、図28及び図29に示すように、共振部R1の周辺を音響特性の異なる層106で一様に囲ってしまう構成が開示されている。この構成は、共振器周辺の音響インピーダンスが励振部の音響インピーダンスより大きくなるため、理論で予測されている通り横波の漏洩防止効果があると考えられる。
特開2003−505906号公報 特開2006−109472号公報
For example, Patent Documents 1 and 2 disclose conventional techniques related to the prevention of shear wave leakage. Patent Documents 1 and 2 disclose a configuration in which the periphery of the resonance unit R1 is uniformly surrounded by a layer 106 having different acoustic characteristics, as shown in FIGS. In this configuration, the acoustic impedance around the resonator is larger than the acoustic impedance of the excitation unit, and therefore, it is considered that there is an effect of preventing the leakage of the transverse wave as predicted by theory.
JP 2003-505906 A JP 2006-109472 A

しかしながら、特許文献1及び2に開示された構成では、以下のような問題点がある。   However, the configurations disclosed in Patent Documents 1 and 2 have the following problems.

まず、当該文献には、音響特性の変化を励振部内側に設けても良いと記述されているが、本来励振部である個所に音響特性の異なる領域を設けることは、電気エネルギーが音波に変換されない部分を増やす、つまり共振器の性能を示す電気機械結合係数を低下させるため、例えばフィルタ作成時に帯域幅が狭くなり問題である。   First, the document describes that a change in acoustic characteristics may be provided inside the excitation unit. However, providing a region having a different acoustic characteristic at the location that is originally the excitation unit converts electrical energy into sound waves. In order to increase the portion that is not performed, that is, to reduce the electromechanical coupling coefficient indicating the performance of the resonator, for example, the bandwidth becomes narrow when creating a filter, which is a problem.

さらに、当該文献に開示された構成では、励振部周辺を励振部と音響インピーダンスが異なるよう枠状に囲う構造を特徴としているが、励振部内に閉じこめられた横波が励振部内側で強い定在波のモードを形成してしまう問題もある。図30及び図31は、図23及び図24に示す基本的な共振器の電気的特性と、図28及び図29に示す共振器の電気的特性を示す図である。両者の共振器の電気的特性を比較すると、発生した強い定在波モードにより、共振点より低周波側に大きなスパイク状の損失点(スプリアス)が生じていることが分かる。これは、当該共振器を用いて例えば図32に示すようなラダー型のフィルタを構成した場合に、図33に示すように通過帯域内にスパイク状の損失(スプリアス)を生じさせ、挿入損失、EVM(Error Vector Magnitude)といった指標を悪化させる原因となる。   Furthermore, the configuration disclosed in this document is characterized by a structure that surrounds the excitation unit in a frame shape so that the acoustic impedance differs from that of the excitation unit, but the transverse wave confined in the excitation unit is a strong standing wave inside the excitation unit. There is also a problem of forming the mode. 30 and 31 are diagrams showing the electrical characteristics of the basic resonator shown in FIGS. 23 and 24 and the electrical characteristics of the resonator shown in FIGS. 28 and 29. Comparing the electrical characteristics of the two resonators, it can be seen that a large spike-like loss point (spurious) is generated on the lower frequency side than the resonance point due to the generated strong standing wave mode. For example, when a ladder-type filter as shown in FIG. 32 is configured using the resonator, a spike-like loss (spurious) is generated in the pass band as shown in FIG. 33, insertion loss, It becomes a cause of deteriorating an index such as EVM (Error Vector Magnitude).

本発明の目的は、共振部周囲に傾斜を有する圧電薄膜共振器において、傾斜上の音響インピーダンスが傾斜より内側の領域より大きくなるよう質量を付加し、さらに向かい合う辺での音響インピーダンスがそれぞれ異なるよう設計することで、横波のエネルギー散逸を防止しながら従来例より電気機械結合係数の低下、および定在波モードの増大を抑圧した圧電薄膜共振器を実現することである。また、圧電薄膜共振器を用いたフィルタ、デュープレクサ、通信モジュール、および通信装置を実現することを目的とする。   An object of the present invention is to add a mass so that the acoustic impedance on the slope is larger than the region inside the slope in the piezoelectric thin film resonator having a slope around the resonance portion, and the acoustic impedance at the opposite sides is different. By designing, it is possible to realize a piezoelectric thin film resonator that suppresses the decrease in the electromechanical coupling coefficient and the increase in the standing wave mode from the conventional example while preventing the energy dissipation of the transverse wave. It is another object of the present invention to realize a filter, a duplexer, a communication module, and a communication device using a piezoelectric thin film resonator.

本発明の圧電薄膜共振器は、基板と、前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振器であって、前記上部電極上に配された質量体を備え、前記質量体は、前記上部電極における前記下部電極に対向する領域の端部の一部に配されているものである。   A piezoelectric thin film resonator according to the present invention is disposed between a substrate, an upper electrode and a lower electrode disposed on the substrate, and a part of the piezoelectric thin film resonator is opposed to each other, and the upper electrode and the lower electrode. A piezoelectric thin film resonator comprising a mass body disposed on the upper electrode, wherein the mass body is a part of an end of a region of the upper electrode facing the lower electrode It is arranged in.

本発明によれば、横波のエネルギー散逸を防止しながら従来例より電気機械結合係数の低下、および定在波モードの増大を抑圧した圧電薄膜共振器を実現することができる。また、このような圧電薄膜共振器をフィルタ、デュープレクサ、通信モジュール、および通信装置に搭載することで、フィルタ特性を向上させたり、通信品質を向上させたりすることができる。   According to the present invention, it is possible to realize a piezoelectric thin film resonator that suppresses the decrease in the electromechanical coupling coefficient and the increase in the standing wave mode as compared with the conventional example while preventing the energy dissipation of the transverse wave. In addition, by mounting such a piezoelectric thin film resonator on a filter, duplexer, communication module, and communication device, it is possible to improve filter characteristics or improve communication quality.

実施の形態における圧電薄膜共振器の第1の構成を示す平面図The top view which shows the 1st structure of the piezoelectric thin film resonator in embodiment (a)は図1におけるA−A部の断面図、(b)は音響インピーダンスの特性図(A) is sectional drawing of the AA part in FIG. 1, (b) is a characteristic figure of an acoustic impedance. 実施の形態における圧電薄膜共振器と従来の圧電薄膜共振器の電気的特性を比較したスミスチャートSmith chart comparing electrical characteristics of piezoelectric thin film resonators in the embodiment and conventional piezoelectric thin film resonators 実施の形態における圧電薄膜共振器と従来の圧電薄膜共振器の電気的特性を比較した特性図Characteristic diagram comparing the electrical characteristics of the piezoelectric thin film resonator in the embodiment and the conventional piezoelectric thin film resonator 実施の形態における圧電薄膜共振器と従来の圧電薄膜共振器の電気的特性を比較したスミスチャートSmith chart comparing electrical characteristics of piezoelectric thin film resonators in the embodiment and conventional piezoelectric thin film resonators 実施の形態における圧電薄膜共振器の第2の構成を示す平面図The top view which shows the 2nd structure of the piezoelectric thin film resonator in embodiment (a)は図6におけるA−A部の断面図、(b)は音響インピーダンスの特性図(A) is a cross-sectional view of the AA portion in FIG. 6, (b) is a characteristic diagram of acoustic impedance 実施の形態における圧電薄膜共振器の第3の構成を示す平面図The top view which shows the 3rd structure of the piezoelectric thin film resonator in embodiment (a)は図8におけるA−A部の断面図、(b)は音響インピーダンスの特性図(A) is a cross-sectional view of the AA portion in FIG. 8, (b) is a characteristic diagram of acoustic impedance 実施の形態における圧電薄膜共振器と従来の圧電薄膜共振器の電気的特性を比較した特性図Characteristic diagram comparing the electrical characteristics of the piezoelectric thin film resonator in the embodiment and the conventional piezoelectric thin film resonator 実施例1における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図FIG. 2 is a plan view of a main part showing the configuration of a piezoelectric thin film resonator in Example 1. 図11AにおけるA−A部の断面図Sectional drawing of the AA part in FIG. 11A 実施例2における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図The principal part top view which shows the structure of the piezoelectric thin film resonator in Example 2. 図12AにおけるA−A部の断面図Sectional drawing of the AA part in FIG. 12A 実施例3における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図The principal part top view which shows the structure of the piezoelectric thin film resonator in Example 3. 図13AにおけるA−A部の断面図Sectional drawing of the AA part in FIG. 13A 実施例4における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図The principal part top view which shows the structure of the piezoelectric thin film resonator in Example 4. 図14AにおけるA−A部の断面図Sectional drawing of the AA part in FIG. 14A 実施例5における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図The principal part top view which shows the structure of the piezoelectric thin film resonator in Example 5. 図15AにおけるA−A部の断面図Sectional drawing of the AA part in FIG. 15A 実施例6における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図The principal part top view which shows the structure of the piezoelectric thin film resonator in Example 6. 図16AにおけるA−A部の断面図Sectional drawing of the AA part in FIG. 16A 実施例7における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図The principal part top view which shows the structure of the piezoelectric thin film resonator in Example 7. 図17AにおけるA−A部の断面図Sectional drawing of the AA part in FIG. 17A 実施例8における圧電薄膜共振器の構成を示す要部平面図The principal part top view which shows the structure of the piezoelectric thin film resonator in Example 8. 図18AにおけるA−A部の断面図Sectional drawing of the AA part in FIG. 18A 実施の形態の圧電薄膜共振器の製造プロセスを示す断面図Sectional drawing which shows the manufacturing process of the piezoelectric thin film resonator of embodiment 実施の形態の圧電薄膜共振器の製造プロセスを示す断面図Sectional drawing which shows the manufacturing process of the piezoelectric thin film resonator of embodiment 実施の形態の圧電薄膜共振器の製造プロセスを示す断面図Sectional drawing which shows the manufacturing process of the piezoelectric thin film resonator of embodiment 実施の形態におけるデュープレクサの構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the duplexer in embodiment 実施の形態における通信モジュールの構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the communication module in embodiment 実施の形態における通信装置の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the communication apparatus in embodiment 圧電薄膜共振器の基本構成を示す断面図Sectional view showing the basic structure of a piezoelectric thin film resonator 従来の圧電薄膜共振器の構成を示す平面図Plan view showing the configuration of a conventional piezoelectric thin film resonator 図24におけるA−A部の断面図Sectional drawing of the AA part in FIG. 従来の圧電薄膜共振器の構成を示す平面図Plan view showing the configuration of a conventional piezoelectric thin film resonator (a)は図26におけるA−A部の断面図、(b)は音響インピーダンスの特性図(A) is sectional drawing of the AA part in FIG. 26, (b) is a characteristic figure of an acoustic impedance. 従来の圧電薄膜共振器の構成を示す平面図Plan view showing the configuration of a conventional piezoelectric thin film resonator (a)は図28におけるA−A部の断面図、(b)は音響インピーダンスの特性図(A) is a cross-sectional view of the AA portion in FIG. 28, (b) is a characteristic diagram of acoustic impedance. 質量体を設ける構成と設けない構成の電気的特性を比較したスミスチャートSmith chart comparing the electrical characteristics of the configuration with and without the mass 質量体を設ける構成と設けない構成の電気的特性を比較した特性図Characteristic diagram comparing the electrical characteristics of the configuration with and without the mass body フィルタの基本構成を示す回路図Circuit diagram showing the basic configuration of the filter 音響特性差を設ける構成と設けない構成の電気的特性を比較した特性図Characteristic diagram comparing the electrical characteristics of the configuration with and without the acoustic characteristic difference

本発明の圧電薄膜共振器は、基板と、前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振器であって、前記上部電極上に配された質量体を備え、前記質量体は、前記上部電極における前記下部電極に対向する領域の端部の一部に配されているものである。   A piezoelectric thin film resonator according to the present invention is disposed between a substrate, an upper electrode and a lower electrode disposed on the substrate, and a part of the piezoelectric thin film resonator is opposed to each other, and the upper electrode and the lower electrode. A piezoelectric thin film resonator comprising a mass body disposed on the upper electrode, wherein the mass body is a part of an end of a region of the upper electrode facing the lower electrode It is arranged in.

このような構成によれば、圧電膜中に横モードの波を閉じ込めることができ、かつ一部の境界には質量付加しないことから、質量付加しない個所を適切に選ぶことで、横モードの定在波の強度が大きくなることを防止できる。   According to such a configuration, the transverse mode wave can be confined in the piezoelectric film, and mass is not added to some of the boundaries. It is possible to prevent the standing wave intensity from increasing.

本発明の圧電薄膜共振器において、前記質量体は、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における前記圧電膜の一部の見かけの音響インピーダンスが、前記境界より内側の領域における前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスより大きくなる位置に配されている構成とすることができる。   In the piezoelectric thin film resonator according to the aspect of the invention, the mass body may include an apparent acoustic impedance of a part of the piezoelectric film at a boundary between a region where the upper electrode and the lower electrode are opposed to each other and a region outside the region. However, it can be set as the structure arrange | positioned in the position which becomes larger than the apparent acoustic impedance of the said piezoelectric film in the area | region inside the said boundary.

このような構成によれば、圧電膜中に横モードの波を閉じ込めることができ、かつ一部の境界には質量付加しないことから、質量付加しない個所を適切に選ぶことで、横モードの定在波の強度が大きくなることを防止できる。   According to such a configuration, the transverse mode wave can be confined in the piezoelectric film, and mass is not added to some of the boundaries. It is possible to prevent the standing wave intensity from increasing.

本発明の圧電薄膜共振器において、前記質量体は、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における、前記上部電極の端部と一致する境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスと、前記上部電極の端部と一致しない境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスとが異なるように配されている構成とすることができる。   In the piezoelectric thin film resonator according to the aspect of the invention, the mass body may be a boundary that coincides with an end portion of the upper electrode at a boundary between a region where the upper electrode and the lower electrode are opposed to each other and a region outside the region. The apparent acoustic impedance of the piezoelectric film may be different from the apparent acoustic impedance of the piezoelectric film at the boundary that does not coincide with the end portion of the upper electrode.

このような構成とすることで、圧電膜中に横モードの波を閉じ込めることができ、かつ音響インピーダンスの異なる境界で反射した横モードの波の位相が各々異なるため、横モードの定在波の強度が大きくなることを防止できる。   With such a configuration, the transverse mode waves can be confined in the piezoelectric film, and the phases of the transverse mode waves reflected at different boundaries of the acoustic impedance are different from each other. An increase in strength can be prevented.

本発明の圧電薄膜共振器において、前記質量体は、少なくとも一部が誘電体あるいは圧電体を含み、前記誘電体あるいは圧電体が前記上部電極と接している構成とすることができる。   In the piezoelectric thin film resonator of the present invention, at least a part of the mass body may include a dielectric or a piezoelectric body, and the dielectric or the piezoelectric body may be in contact with the upper electrode.

このような構成によれば、質量付加する位置を可能な限り境界の際に位置せしめることができ、質量付加したことによって振動に寄与する面積が減少し、電気機械結合係数k^2が低下することを防止できる。   According to such a configuration, the position where the mass is added can be positioned at the boundary as much as possible, and by adding the mass, the area contributing to vibration is reduced and the electromechanical coupling coefficient k ^ 2 is reduced. Can be prevented.

本発明の圧電薄膜共振器において、前記上部電極は、前記下部電極に対向する領域と、その領域よりも外側の領域との境界において、90°未満の傾斜部を備えている構成とすることができる。   In the piezoelectric thin film resonator according to the aspect of the invention, the upper electrode may include an inclined portion of less than 90 ° at a boundary between a region facing the lower electrode and a region outside the region. it can.

このような構成によれば、境界部において重み付けを行う際に段差による形状の不連続、製造の不具合を防ぐことができ、品質の良い共振器を形成することができる。   According to such a configuration, it is possible to prevent a discontinuity in shape due to a step and a manufacturing defect when weighting is performed at the boundary portion, and it is possible to form a high-quality resonator.

本発明の圧電薄膜共振器において、前記質量体は、チタン(Ti)および金(Au)を含む構成とすることができる。   In the piezoelectric thin film resonator of the present invention, the mass body may include titanium (Ti) and gold (Au).

このような構成によれば、横波を閉じ込めると同時に共振器の直列抵抗を減じることができ、高Qな共振器を形成することができる。   According to such a configuration, it is possible to confine the transverse wave and simultaneously reduce the series resistance of the resonator, thereby forming a high-Q resonator.

本発明の圧電薄膜共振器において、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が楕円形状である構成とすることができる。   In the piezoelectric thin film resonator of the present invention, the region where the upper electrode and the lower electrode are formed to face each other has an elliptical shape when viewed in the normal direction of the main plane of the upper electrode; can do.

このような構成によれば、例え共振部と非共振部との境界で横波が反射しても、特定の方向の反射波が強め合うことがなく、横モードの定在波を強まることをより一層抑圧することができる。   According to such a configuration, even if the transverse wave is reflected at the boundary between the resonance part and the non-resonance part, the reflected wave in a specific direction is not intensified, and the standing wave of the transverse mode is strengthened. It can be further suppressed.

本発明の圧電薄膜共振器において、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が非方形の多角形である構成とすることができる。   In the piezoelectric thin film resonator of the present invention, the region where the upper electrode and the lower electrode are opposed to each other is a polygon having a non-rectangular shape when viewed in the normal direction of the main plane of the upper electrode. There can be a certain configuration.

このような構成によれば、例え共振部と非共振部との境界で横波が反射しても、特定の方向の反射波が強め合うことがなく、横モードの定在波を強まることをより一層抑圧することができる。   According to such a configuration, even if the transverse wave is reflected at the boundary between the resonance part and the non-resonance part, the reflected wave in a specific direction is not intensified, and the standing wave of the transverse mode is strengthened. It can be further suppressed.

本発明の圧電薄膜共振器において、前記傾斜部は、ドライエッチング処理により形成された構成とすることができる。   In the piezoelectric thin film resonator of the present invention, the inclined portion may be formed by dry etching.

このような構成によれば、精度良く傾斜を形成することができる。   According to such a configuration, the inclination can be formed with high accuracy.

本発明の圧電薄膜共振器において、前記誘電体は、酸化ケイ素(SiO2)で形成されている構成とすることができる。   In the piezoelectric thin film resonator of the present invention, the dielectric may be made of silicon oxide (SiO 2).

本発明の圧電薄膜共振器において、前記上部電極及び前記下部電極は、少なくとも前記圧電膜に接する部分がルテニウム(Ru)で形成されている構成とすることができる。   In the piezoelectric thin film resonator of the present invention, the upper electrode and the lower electrode may be configured such that at least a portion in contact with the piezoelectric film is formed of ruthenium (Ru).

(実施の形態)
図1は、本実施の形態における圧電薄膜共振器の第1の構成の平面図である。図2(a)は、図1におけるA−A部の断面図である。図2(b)は、図1及び図2(a)に示す圧電薄膜共振器における音響インピーダンスを示す。図1及び図2に示すように、本実施の形態の圧電薄膜共振器は、基板14上に、圧電膜13を挟持した上部電極11及び下部電極12とを備えている。上部電極11と下部電極12とが互いに対向した領域が共振部R1であり、その周辺の非共振領域が非共振部R2である。共振部R1の下方には、空隙15または音響多層膜(不図示)が形成されている。共振部R1において発生した波は、共振部R1の端部で反射するか(反射波W11)、非共振部R2に漏洩する(漏洩波W12)。
(Embodiment)
FIG. 1 is a plan view of a first configuration of the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment. FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 2B shows the acoustic impedance in the piezoelectric thin film resonator shown in FIGS. 1 and 2A. As shown in FIGS. 1 and 2, the piezoelectric thin film resonator of the present embodiment includes an upper electrode 11 and a lower electrode 12 that sandwich a piezoelectric film 13 on a substrate 14. A region where the upper electrode 11 and the lower electrode 12 face each other is the resonance portion R1, and a non-resonance region around the region is the non-resonance portion R2. A gap 15 or an acoustic multilayer film (not shown) is formed below the resonance part R1. The wave generated in the resonance part R1 is reflected at the end of the resonance part R1 (reflected wave W11) or leaks to the non-resonance part R2 (leakage wave W12).

本実施の形態の特徴は、図1に示すように共振部R1と非共振部R2との境界における上部電極11の傾斜部11aに沿い、質量体16を備えていることである。質量体16は、誘電体、圧電体、金属等で構成することができる。このように質量体16を備えることで、傾斜部11aの音響インピーダンスを増し、共振部R1において発生した弾性波W11が共振部R1内に閉じこもる構造となる。   The feature of the present embodiment is that a mass body 16 is provided along the inclined portion 11a of the upper electrode 11 at the boundary between the resonance portion R1 and the non-resonance portion R2, as shown in FIG. The mass body 16 can be made of a dielectric material, a piezoelectric material, a metal, or the like. By providing the mass body 16 in this manner, the acoustic impedance of the inclined portion 11a is increased, and the elastic wave W11 generated in the resonance portion R1 is confined in the resonance portion R1.

この時、共振部R1の周囲のうち少なくとも一部には、質量体16を付加しない領域を備えたことも特徴としている。図1及び図2に示す構成では、上部電極11の端部側にのみ円弧状(図1参照)の質量体16を付加し、その端部に対向する部位には質量体16を付加していない。このように、質量体16を共振部R1の外周の一部のみに付加することにより、質量体16を付加しない部位を通じて弾性波W11の一部が非共振部R2へ透過し(漏洩波W12)、共振部R1内において定在波が強め合うことを抑制することができる。   At this time, it is also characterized in that at least a part of the periphery of the resonance part R1 is provided with a region to which the mass body 16 is not added. In the configuration shown in FIGS. 1 and 2, an arc-shaped (see FIG. 1) mass body 16 is added only to the end portion of the upper electrode 11, and the mass body 16 is added to a portion facing the end portion. Absent. As described above, by adding the mass body 16 only to a part of the outer periphery of the resonance part R1, a part of the elastic wave W11 is transmitted to the non-resonance part R2 through a portion where the mass body 16 is not added (leakage wave W12). Thus, it is possible to suppress the standing waves from strengthening in the resonance part R1.

図3、図4、および図5は、定在波の発生の抑圧について、実験で確認を行った結果を示す。図3〜図5に示すように、図23及び図24に示す従来の共振器の特性と比較すると、本実施の形態(本発明)のように共振部R1の周囲の一部にだけ質量体16を付加することで、反共振点近傍の反射係数が増加し、横波の漏洩が防止できることが確認できた。また、図28及び図29に示すように、共振部R1の全周囲に質量体を付加する構成と比べて、定在波の発生を抑制できることが確認できた。   3, FIG. 4 and FIG. 5 show the results of experiments confirmed for the suppression of the occurrence of standing waves. As shown in FIG. 3 to FIG. 5, compared with the characteristics of the conventional resonator shown in FIG. 23 and FIG. 24, the mass body is provided only in a part around the resonance part R1 as in the present embodiment (the present invention). By adding 16, the reflection coefficient in the vicinity of the antiresonance point was increased, and it was confirmed that leakage of transverse waves could be prevented. Further, as shown in FIGS. 28 and 29, it was confirmed that the generation of standing waves can be suppressed as compared with the configuration in which the mass body is added to the entire periphery of the resonance part R1.

図6は、本実施の形態における圧電薄膜共振器の第2の構成の平面図である。図7(a)は、図6におけるA−A部の断面図である。図7(b)は、図6及び図7(a)に示す圧電薄膜共振器における音響インピーダンスを示す。本構成は、共振部R1の全周囲に質量体を付加し、さらに上部電極11の傾斜部11aに付加した質量体17と、傾斜部11aに対向する傾斜部11bに付加した質量体18とを、互いに質量を異ならせることを特徴としている。このような構成とすることで、共振部R1の外周において互いに対向する辺における音響インピーダンスが異なるため、反射波の位相が各々一致せず、横波の定在波が強め合うことを抑制することができる。   FIG. 6 is a plan view of a second configuration of the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment. Fig.7 (a) is sectional drawing of the AA part in FIG. FIG. 7B shows acoustic impedance in the piezoelectric thin film resonator shown in FIGS. 6 and 7A. In this configuration, a mass body is added to the entire periphery of the resonance portion R1, and further, a mass body 17 added to the inclined portion 11a of the upper electrode 11 and a mass body 18 added to the inclined portion 11b facing the inclined portion 11a. , The mass is different from each other. By adopting such a configuration, the acoustic impedances at the sides opposite to each other on the outer periphery of the resonance part R1 are different, so that the phases of the reflected waves do not coincide with each other, and the transverse standing waves are prevented from strengthening each other. it can.

図8は、本実施の形態における圧電薄膜共振器の第3の構成の平面図である。図9(a)は、図8におけるA−A部の断面図である。図9(b)は、図8及び図9(a)に示す圧電薄膜共振器における音響インピーダンスを示す。本構成は、質量体における上部電極11と接触する部分の少なくとも一部を、誘電体、または圧電体とすることを特徴としている。図8に示す構成では、質量体20と上部電極11との間に圧電体19を備えた。このような構成とすることで、質量体20を共振部R1内の最大限外側に配置することができ、質量体20の付加によって振動に寄与する面積が減少し電気機械結合係数を低下させてしまうことを防止できる。また、この時、圧電体19(または誘電体)上に金属を積層すれば、質量が低い誘電体のみを付加した場合より、小さい膜厚で同様の効果を得ることができる。   FIG. 8 is a plan view of a third configuration of the piezoelectric thin film resonator in the present embodiment. Fig.9 (a) is sectional drawing of the AA part in FIG. FIG. 9B shows acoustic impedance in the piezoelectric thin film resonator shown in FIGS. 8 and 9A. This configuration is characterized in that at least a part of a portion of the mass body that contacts the upper electrode 11 is a dielectric or a piezoelectric body. In the configuration shown in FIG. 8, the piezoelectric body 19 is provided between the mass body 20 and the upper electrode 11. By adopting such a configuration, the mass body 20 can be disposed as far as possible outside the resonance part R1, and the addition of the mass body 20 reduces the area contributing to vibration and reduces the electromechanical coupling coefficient. Can be prevented. At this time, if a metal is laminated on the piezoelectric body 19 (or dielectric), the same effect can be obtained with a smaller film thickness than when only a dielectric having a low mass is added.

図10は、圧電のFEMシミュレータ(FEM:finite element method、有限要素法)を用いて、共振部R1の内側へ質量体を付加した場合(図28及び図29に示す従来技術)と、共振部R1の外側に接するよう質量体を付加した場合(図8及び図9に示す本実施の形態の第3の構成)との、それぞれの電気的特性を計算した結果を示す。図10に示すように、電気機械結合係数k^2は、共振周波数と反共振周波数との差から簡便に見積もることができ、本実施の形態の圧電薄膜共振器におけるk^2は6.4%、従来の圧電薄膜共振器におけるk^2は5.9%となり、両者の間に0.5%の差があることが確認できた。このk^2の差は、2GHzの周波数で約4MHzの差となり、広帯域のフィルタが求められる通信装置(携帯電話端末など)においては重要な差である。   10 shows a case where a mass body is added to the inside of the resonance part R1 using a piezoelectric FEM simulator (FEM: finite element method) (prior art shown in FIGS. 28 and 29), and the resonance part. The result of having calculated each electrical characteristic when a mass body is added so that it may touch the outer side of R1 (3rd structure of this Embodiment shown in FIG.8 and FIG.9) is shown. As shown in FIG. 10, the electromechanical coupling coefficient k 2 can be easily estimated from the difference between the resonance frequency and the antiresonance frequency, and k 2 in the piezoelectric thin film resonator of the present embodiment is 6.4. %, K ^ 2 in the conventional piezoelectric thin film resonator was 5.9%, and it was confirmed that there was a difference of 0.5% between the two. The difference of k ^ 2 is a difference of about 4 MHz at a frequency of 2 GHz, which is an important difference in a communication device (such as a mobile phone terminal) that requires a wideband filter.

以下、本実施の形態の圧電薄膜共振器の実施例について説明する。本実施の形態における圧電薄膜共振器の第1の構成の実施例が実施例1〜3であり、第2の構成の実施例が実施例4及び5であり、第3の構成の実施例が実施例6〜8である。   Examples of the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment will be described below. Examples of the first configuration of the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment are Examples 1 to 3, Examples of the second configuration are Examples 4 and 5, and Examples of the third configuration are examples. Examples 6-8.

(実施例1)
図11Aは、本実施形態に係る共振器の第1実施例の要部平面図である。図11Bは、図11AにおけるA−A部の断面図である。本実施例の圧電薄膜共振器は、基板14と、圧電膜13と、圧電膜13を挟持するように配された上部電極11及び下部電極12と、上部電極11上における非共振部R2に形成された低抵抗電極(Au、Al等)からなるコンタクト電極21と、上部電極11上の傾斜部11aに配された質量体16aとを備えている。質量体16aは、図11Aに示すように上部電極11の端部に沿うように形成され、その端部に対向する部位には形成されていない。
Example 1
FIG. 11A is a plan view of a principal part of the first example of the resonator according to the present embodiment. 11B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 11A. The piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment is formed in the substrate 14, the piezoelectric film 13, the upper electrode 11 and the lower electrode 12 disposed so as to sandwich the piezoelectric film 13, and the non-resonant portion R 2 on the upper electrode 11. The contact electrode 21 made of the low resistance electrode (Au, Al, etc.) and the mass body 16a disposed on the inclined portion 11a on the upper electrode 11 are provided. The mass body 16a is formed along the end portion of the upper electrode 11 as shown in FIG. 11A, and is not formed at a portion facing the end portion.

質量体16aは、圧電体、誘電体あるいは金属から構成される。また、質量体16aは、例えば窒化アルミニウム(AlN),チタン酸ジルコン酸鉛(PZT),酸化ケイ素(SiO2),酸化チタン(TiO2),ルテニウム(Ru),モリブデン(Mo),金(Au),チタン(Ti),銅(Cu),タングステン(W),およびアルミニウム(Al)のいずれか一つまたはいずれか一つを主成分とする合成材料で形成することができる。また、質量体16aの膜厚、幅、配置は、例えば前述した汎用の圧電解析ソフトを用いたシミュレーションから求めることができ、より最適には実験から導出することが望ましい。上部電極11における傾斜部11a及び11b、下部電極12における傾斜部12aは、イオンミリング装置を用いて切削することで形成することができる。また、質量体16aは、スパッタリング法を用いて堆積したのち、ドライエッチング、またはウエットエッチングにより形成することができる。   The mass body 16a is composed of a piezoelectric body, a dielectric body, or a metal. The mass body 16a includes, for example, aluminum nitride (AlN), lead zirconate titanate (PZT), silicon oxide (SiO2), titanium oxide (TiO2), ruthenium (Ru), molybdenum (Mo), gold (Au), It can be formed of any one of titanium (Ti), copper (Cu), tungsten (W), and aluminum (Al), or a synthetic material containing any one of them as a main component. Further, the film thickness, width, and arrangement of the mass body 16a can be obtained, for example, by simulation using the general-purpose piezoelectric analysis software described above, and more preferably derived from experiments. The inclined portions 11a and 11b in the upper electrode 11 and the inclined portion 12a in the lower electrode 12 can be formed by cutting using an ion milling device. The mass body 16a can be formed by dry etching or wet etching after being deposited using a sputtering method.

このような構成とすることで、共振部R1内で発生した弾性波W11が共振部R1内で閉じこもることがなく、漏洩波W12として非共振部R12に漏れていくため、共振部R1内で定在波を強め合うことを防止することができる。   With this configuration, the elastic wave W11 generated in the resonance unit R1 is not confined in the resonance unit R1, and leaks to the non-resonance unit R12 as a leakage wave W12. It is possible to prevent the presence waves from strengthening each other.

(実施例2)
図12Aは、本実施形態に係る共振器の第2実施例の要部平面図である。図12Bは、図12AにおけるA−A部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例1に示す構成と異なるのは、質量体の形状である。本実施例では、図12Aに示すように、質量体16bの形状を、上部電極11の端部だけでなく、その端部に対向する部位まで延在して形成されていることを特徴としている。さらに、質量体16bは、共振部R1の全周囲を囲むのではなく、一部に開口部16cを設けている。この開口部16cから、弾性波W11の一部が漏洩波W12として、非共振部R12に漏れていく。
(Example 2)
FIG. 12A is a plan view of a principal part of a second example of the resonator according to the embodiment. 12B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 12A. The configuration shown in the present embodiment is different from the configuration shown in the first embodiment in the shape of the mass body. In this embodiment, as shown in FIG. 12A, the shape of the mass body 16b extends not only to the end portion of the upper electrode 11, but also to a portion facing the end portion. . Furthermore, the mass body 16b does not surround the entire periphery of the resonance part R1, but is provided with an opening 16c in part. From this opening 16c, part of the elastic wave W11 leaks to the non-resonant part R12 as a leaky wave W12.

このような構成とすることで、共振部R1内で発生した弾性波W11が共振部R1内で閉じこもることがなく、漏洩波W12として非共振部R12に漏れていくため、共振部R1内で定在波を強め合うことを防止することができる。   With this configuration, the elastic wave W11 generated in the resonance unit R1 is not confined in the resonance unit R1, and leaks to the non-resonance unit R12 as a leakage wave W12. It is possible to prevent the presence waves from strengthening each other.

(実施例3)
図13Aは、本実施形態に係る共振器の第3実施例の要部平面図である。図13Bは、図13AにおけるA−A部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例1に示す構成と異なるのは、質量体の形状である。本実施例では、図13Aに示すように、質量体16dの形状を、上部電極11の端部だけでなく、その端部に対向する部位まで延在して形成されていることを特徴としている。さらに、質量体16dは、共振部R1の全周囲を囲むのではなく、一部に開口部16e(実施例2の開口部16cと同様)及び16fを設けている。この開口部16e及び16fから、弾性波W11の一部が漏洩波W12として、非共振部R12に漏れていく。
(Example 3)
FIG. 13A is a plan view of a principal part of a third example of the resonator according to the present embodiment. 13B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 13A. The configuration shown in the present embodiment is different from the configuration shown in the first embodiment in the shape of the mass body. In this embodiment, as shown in FIG. 13A, the shape of the mass body 16d is formed to extend not only to the end portion of the upper electrode 11 but also to a portion facing the end portion. . Furthermore, the mass body 16d does not surround the entire periphery of the resonance part R1, but is provided with openings 16e (similar to the opening 16c of Example 2) and 16f in part. From the openings 16e and 16f, part of the elastic wave W11 leaks to the non-resonant part R12 as a leaky wave W12.

このような構成とすることで、共振部R1内で発生した弾性波W11が共振部R1内で閉じこもることがなく、漏洩波W12として非共振部R12に漏れていくため、共振部R1内で定在波を強め合うことを防止することができる。   With this configuration, the elastic wave W11 generated in the resonance unit R1 is not confined in the resonance unit R1, and leaks to the non-resonance unit R12 as a leakage wave W12. It is possible to prevent the presence waves from strengthening each other.

(実施例4)
図14Aは、本実施形態に係る共振器の第4実施例の要部平面図である。図14Bは、図14AにおけるA−A部の断面図である。本実施例の圧電薄膜共振器は、基板14と、圧電膜13と、圧電膜13を挟持するように配された上部電極11及び下部電極12と、上部電極11上における非共振部R2に形成された低抵抗電極(Au、Al等)からなるコンタクト電極21と、上部電極11の傾斜部11aに配された第1の質量体17aと、上部電極11の傾斜部11bに配された第2の質量体18aとを備えている。第1の質量体17aは、圧電体、誘電体あるいは金属で構成されている。第2の質量体18aは、第1の質量体17aとは異なる材料で構成された圧電体、誘電体あるいは金属で構成されている。第1の質量体17a及び第2の質量体18aは、例えば窒化アルミニウム(AlN),チタン酸ジルコン酸鉛(PZT),酸化ケイ素(SiO2),酸化チタン(TiO2),ルテニウム(Ru),モリブデン(Mo),金(Au),チタン(Ti),銅(Cu),タングステン(W),およびアルミニウム(Al)のうちいずれか一つあるいはいずれか一つを主成分とする合成材料で形成することができる。また、第1の質量体17a及び第2の質量体18aの膜厚、幅、配置は、例えば前述した汎用の圧電解析ソフトを用いたシミュレーションから求めることができ、より最適には実験から導出することが望ましい。また、上部電極11の傾斜部11aおよび下部電極12の傾斜部12aは、イオンミリング装置を用いて切削することで形成することができる。また、第1の質量体17a及び第2の質量体18aは、スパッタリング法を用いて堆積したのち、ドライエッチング、またはウエットエッチングにより形成することができる。
Example 4
FIG. 14A is a plan view of relevant parts of a fourth example of the resonator according to the present embodiment. 14B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 14A. The piezoelectric thin film resonator of the present embodiment is formed in the substrate 14, the piezoelectric film 13, the upper electrode 11 and the lower electrode 12 disposed so as to sandwich the piezoelectric film 13, and the non-resonant portion R <b> 2 on the upper electrode 11. Contact electrode 21 made of a low-resistance electrode (Au, Al, etc.), a first mass body 17a disposed on the inclined portion 11a of the upper electrode 11, and a second electrode disposed on the inclined portion 11b of the upper electrode 11. Mass body 18a. The first mass body 17a is made of a piezoelectric body, a dielectric body, or a metal. The second mass body 18a is made of a piezoelectric material, a dielectric material, or a metal made of a material different from that of the first mass body 17a. The first mass body 17a and the second mass body 18a include, for example, aluminum nitride (AlN), lead zirconate titanate (PZT), silicon oxide (SiO2), titanium oxide (TiO2), ruthenium (Ru), molybdenum ( One of Mo or gold (Au), titanium (Ti), copper (Cu), tungsten (W), and aluminum (Al), or a synthetic material mainly containing any one of them. Can do. Further, the film thickness, width, and arrangement of the first mass body 17a and the second mass body 18a can be obtained from, for example, a simulation using the general-purpose piezoelectric analysis software described above, and more optimally derived from an experiment. It is desirable. The inclined portion 11a of the upper electrode 11 and the inclined portion 12a of the lower electrode 12 can be formed by cutting using an ion milling device. Further, the first mass body 17a and the second mass body 18a can be formed by dry etching or wet etching after being deposited using a sputtering method.

このような構成とすることで、共振部R1の外周において互いに対向する辺における音響インピーダンスが異なるため、第1の質量体17aで反射した弾性波W11(反射波)の位相と第2の質量体18aで反射した弾性波W13(反射波)の位相とが互いに一致せず、横波の定在波が強め合うことを抑制することができる。   By adopting such a configuration, the acoustic impedances at the sides facing each other on the outer periphery of the resonance part R1 are different, so the phase of the elastic wave W11 (reflected wave) reflected by the first mass body 17a and the second mass body The phase of the elastic wave W13 (reflected wave) reflected by 18a does not coincide with each other, and it is possible to suppress the standing wave of the transverse wave from strengthening.

(実施例5)
図15Aは、本実施形態に係る共振器の第5実施例の要部平面図である。図15Bは、図15AにおけるA−A部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例4に示す構成と異なるのは、第2の質量体18aに代えて、コンタクト電極21の一部を傾斜部11b上まで延在させた点である。また、第1の質量体17aは、コンタクト電極21と異なる材料で形成され、例えば実施例4の欄に記載した材料で形成することができる。
(Example 5)
FIG. 15A is a plan view of a principal part of a fifth example of the resonator according to the embodiment. FIG. 15B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 15A. The configuration shown in the present embodiment is different from the configuration shown in Embodiment 4 in that a part of the contact electrode 21 is extended onto the inclined portion 11b instead of the second mass body 18a. The first mass body 17a is formed of a material different from that of the contact electrode 21, and can be formed of, for example, the material described in the column of Example 4.

本実施例では、コンタクト電極21の端部21aを、傾斜部11b上に位置するように形成したことにより、共振部R1の外周において互いに対向する辺における音響インピーダンスが異なるため、第1の質量体17aで反射した弾性波W11(反射波)の位相とコンタクト電極21の端部21aで反射した弾性波W13(反射波)の位相とが互いに一致せず、横波の定在波が強め合うことを抑制することができる。   In the present embodiment, since the end portion 21a of the contact electrode 21 is formed so as to be positioned on the inclined portion 11b, the acoustic impedance at the sides facing each other on the outer periphery of the resonance portion R1 is different. The phase of the elastic wave W11 (reflected wave) reflected by 17a and the phase of the elastic wave W13 (reflected wave) reflected by the end 21a of the contact electrode 21 do not coincide with each other, and the standing wave of the transverse wave strengthens. Can be suppressed.

また、本実施例によれば、実施例4における第2の質量体18aとコンタクト電極21とを一体化した構成であるため、製造工数を削減することができる。   Moreover, according to the present Example, since it is the structure which integrated the 2nd mass body 18a and the contact electrode 21 in Example 4, a manufacturing man-hour can be reduced.

なお、本実施例では、実施例4に示す第2の質量体18aとコンタクト電極21とを一体形成する構成としたが、第1の質量体17a及び第2の質量体18aのうちいずれか一つがコンタクト電極21と同一の材料で形成し、コンタクト電極21と一体形成する構成であればよい。   In the present embodiment, the second mass body 18a and the contact electrode 21 shown in Embodiment 4 are integrally formed. However, any one of the first mass body 17a and the second mass body 18a is used. Any one may be used as long as it is formed of the same material as the contact electrode 21 and formed integrally with the contact electrode 21.

(実施例6)
図16Aは、本実施形態に係る共振器の第6実施例の要部平面図である。図16Bは、図16AにおけるA−A部の断面図である。本実施例の圧電薄膜共振器は、基板14と、圧電膜13と、圧電膜13を挟持するように配された上部電極11及び下部電極12と、上部電極11上における非共振部R2に形成された低抵抗電極(Au、Al等)からなるコンタクト電極21と、第3の質量体19aと、第4の質量体20aとを備えている。第3の質量体19aは、上部電極11の傾斜部11a上における非共振部R2に近い位置から、非共振部R2にかけて配されていることが望ましい。本実施例では、傾斜部11a上から、上部電極11の端部近傍における圧電膜13上に接する位置に配されている。また、第3の質量体19aは、圧電体もしくは誘電体で形成することが望ましい。第4の質量体20aは、第3の質量体19a上に積層されて形成されている。また、第3の質量体19a及び第4の質量体20aは、例えば窒化アルミニウム(AlN),チタン酸ジルコン酸鉛(PZT),酸化ケイ素(SiO2),酸化チタン(TiO2),ルテニウム(Ru),モリブデン(Mo),金(Au),チタン(Ti),銅(Cu),タングステン(W),アルミニウム(Al)で形成することができる。また、第3の質量体19a及び第4の質量体20aの膜厚、幅、配置は、例えば前述した汎用の圧電解析ソフトを用いたシミュレーションから求めることができ、より最適には実験から導出することが望ましい。また、上部電極11の傾斜部11aおよび下部電極12の傾斜部12aは、イオンミリング装置を用いて切削することで形成することができる。また、第3の質量体19a及び第4の質量体20aは、スパッタリング法を用いて堆積したのち、ドライエッチング、またはウエットエッチングにより形成することができる。
(Example 6)
FIG. 16A is a plan view of a principal part of a sixth example of the resonator according to the embodiment. 16B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 16A. The piezoelectric thin film resonator of the present embodiment is formed in the substrate 14, the piezoelectric film 13, the upper electrode 11 and the lower electrode 12 disposed so as to sandwich the piezoelectric film 13, and the non-resonant portion R <b> 2 on the upper electrode 11. The contact electrode 21 made of a low resistance electrode (Au, Al, etc.), a third mass body 19a, and a fourth mass body 20a are provided. The third mass body 19a is desirably arranged from a position near the non-resonant part R2 on the inclined part 11a of the upper electrode 11 to the non-resonant part R2. In the present embodiment, it is disposed at a position in contact with the piezoelectric film 13 in the vicinity of the end portion of the upper electrode 11 from the inclined portion 11a. The third mass body 19a is preferably formed of a piezoelectric body or a dielectric body. The fourth mass body 20a is formed by being stacked on the third mass body 19a. The third mass body 19a and the fourth mass body 20a include, for example, aluminum nitride (AlN), lead zirconate titanate (PZT), silicon oxide (SiO2), titanium oxide (TiO2), ruthenium (Ru), Molybdenum (Mo), gold (Au), titanium (Ti), copper (Cu), tungsten (W), and aluminum (Al) can be used. The film thickness, width, and arrangement of the third mass body 19a and the fourth mass body 20a can be obtained from, for example, a simulation using the general-purpose piezoelectric analysis software described above, and more optimally derived from an experiment. It is desirable. The inclined portion 11a of the upper electrode 11 and the inclined portion 12a of the lower electrode 12 can be formed by cutting using an ion milling device. In addition, the third mass body 19a and the fourth mass body 20a can be formed by dry etching or wet etching after being deposited using a sputtering method.

このような構成とすることで、第3の質量体19a及び第4の質量体20aを共振部R1内の最大限外側に配置することができ、質量体の付加によって振動に寄与する面積が減少し電気機械結合係数を低下させてしまうことを防止できる。また、この時、第3の質量体19a上に金属を積層すれば、質量が低い誘電体のみを付加した場合より、小さい膜厚で同様の効果を得ることができる。   With such a configuration, the third mass body 19a and the fourth mass body 20a can be arranged at the maximum outside in the resonance part R1, and the area contributing to vibration is reduced by the addition of the mass body. And it can prevent that an electromechanical coupling coefficient falls. At this time, if a metal is laminated on the third mass body 19a, the same effect can be obtained with a smaller film thickness than when only a dielectric having a low mass is added.

(実施例7)
図17Aは、本実施形態に係る共振器の第7実施例の要部平面図である。図17Bは、図17AにおけるA−A部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例6に示す構成と異なるのは、上部電極11における傾斜部11aに対向する位置に形成された傾斜部11bに、第2の質量体18a(実施例4参照)を配した点である。他の構成は、実施例6に示す構成と同様である。また、第2の質量体18aの具体構成については、実施例4において説明したので省略するが。第2の質量体18aの質量と第3の質量体19a及び第4の質量体20aの総質量とは、少なくとも異ならせてあればよい。
(Example 7)
FIG. 17A is a plan view of relevant parts of a seventh example of the resonator according to the present embodiment. FIG. 17B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 17A. The configuration shown in the present embodiment is different from the configuration shown in the sixth embodiment in that the second mass body 18a (see the fourth embodiment is provided) on the inclined portion 11b formed at a position facing the inclined portion 11a in the upper electrode 11. ). Other configurations are the same as the configurations shown in the sixth embodiment. Further, the specific configuration of the second mass body 18a has been described in the fourth embodiment, and is omitted. The mass of the second mass body 18a may be at least different from the total mass of the third mass body 19a and the fourth mass body 20a.

このような構成とすることで、第3の質量体19a及び第4の質量体20aを共振部R1内の最大限外側に配置することができ、質量体の付加によって振動に寄与する面積が減少し電気機械結合係数を低下させてしまうことを防止できる。また、この時、第3の質量体19a上に金属を積層すれば、質量が低い誘電体のみを付加した場合より、小さい膜厚で同様の効果を得ることができる。   With such a configuration, the third mass body 19a and the fourth mass body 20a can be arranged at the maximum outside in the resonance part R1, and the area contributing to vibration is reduced by the addition of the mass body. And it can prevent that an electromechanical coupling coefficient falls. At this time, if a metal is laminated on the third mass body 19a, the same effect can be obtained with a smaller film thickness than when only a dielectric having a low mass is added.

また、共振部R1の外周において互いに対向する辺における音響インピーダンスが異なるため、第3の質量体19a及び第4の質量体20aで反射した弾性波W11(反射波)の位相と第2の質量体18aで反射した弾性波W13(反射波)の位相とが互いに一致せず、横波の定在波が強め合うことを抑制することができる。   Further, since the acoustic impedances at the sides facing each other on the outer periphery of the resonance part R1 are different, the phase of the elastic wave W11 (reflected wave) reflected by the third mass body 19a and the fourth mass body 20a and the second mass body The phase of the elastic wave W13 (reflected wave) reflected by 18a does not coincide with each other, and it is possible to suppress the standing wave of the transverse wave from strengthening.

(実施例8)
図18Aは、本実施形態に係る共振器の第8実施例の要部平面図である。図18Bは、図18AにおけるA−A部の断面図である。本実施例に示す構成において、実施例7に示す構成と異なるのは、第2の質量体18aに代えて、コンタクト電極21の一部を傾斜部11b上まで延在させた点である。また、第1の質量体17aは、コンタクト電極21と異なる材料で形成され、例えば実施例4の欄に記載した材料で形成することができる。
(Example 8)
FIG. 18A is a plan view of a principal part of an eighth example of the resonator according to the present embodiment. 18B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 18A. The configuration shown in the present embodiment is different from the configuration shown in Embodiment 7 in that a part of the contact electrode 21 is extended onto the inclined portion 11b instead of the second mass body 18a. The first mass body 17a is formed of a material different from that of the contact electrode 21, and can be formed of, for example, the material described in the column of Example 4.

本実施例では、コンタクト電極21の端部21aを、傾斜部11b上に位置するように形成したことにより、共振部R1の外周において互いに対向する辺における音響インピーダンスが異なるため、第1の質量体17aで反射した弾性波W11(反射波)の位相とコンタクト電極21の端部21aで反射した弾性波W13(反射波)の位相とが互いに一致せず、横波の定在波が強め合うことを抑制することができる。   In the present embodiment, since the end portion 21a of the contact electrode 21 is formed so as to be positioned on the inclined portion 11b, the acoustic impedance at the sides facing each other on the outer periphery of the resonance portion R1 is different. The phase of the elastic wave W11 (reflected wave) reflected by 17a and the phase of the elastic wave W13 (reflected wave) reflected by the end 21a of the contact electrode 21 do not coincide with each other, and the standing wave of the transverse wave strengthens. Can be suppressed.

また、本実施例によれば、第2の質量体18aとコンタクト電極21とを一体化した構成であるため、製造工数を削減することができる。   Moreover, according to the present Example, since it is the structure which integrated the 2nd mass body 18a and the contact electrode 21, a manufacturing man-hour can be reduced.

なお、本実施例では、実施例7に示す第2の質量体18aとコンタクト電極21とを一体形成する構成としたが、第1の質量体17a及び第2の質量体18aのうちいずれか一つがコンタクト電極21と同一の材料で形成し、コンタクト電極21と一体形成する構成であればよい。   In the present embodiment, the second mass body 18a and the contact electrode 21 shown in the seventh embodiment are integrally formed. However, any one of the first mass body 17a and the second mass body 18a is used. Any one may be used as long as it is formed of the same material as the contact electrode 21 and formed integrally with the contact electrode 21.

実施例1〜8の圧電薄膜共振子において、上部電極11及び下部電極12は、例えば、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)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)等を用いることができる。また、圧電膜13は、窒化アルミニウム(AlN)、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、基板14は、シリコン、ガラス等を用いることができる。圧電膜13は、窒化アルミニウム(AlN)を含むことが好ましい。AlNは音速が速いため、Q値の良好な共振器を実現することができる。また、下部電極12および上部電極11の少なくとも一方は、ルテニウム(Ru)膜を含むことが好ましい。Ruは高音響インピーダンスを有する材料のため、Q値の良好な共振子を実現することができる。   In the piezoelectric thin film resonators of Examples 1 to 8, the upper electrode 11 and the lower electrode 12 are made of, for example, aluminum (Al), copper (Cu), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta), platinum ( Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), iridium (Ir), or the like can be used. For the piezoelectric film 13, aluminum nitride (AlN), lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PbTiO3), or the like can be used. The substrate 14 can be made of silicon, glass, or the like. The piezoelectric film 13 preferably contains aluminum nitride (AlN). Since AlN has a high sound speed, a resonator having a good Q value can be realized. Moreover, it is preferable that at least one of the lower electrode 12 and the upper electrode 11 includes a ruthenium (Ru) film. Since Ru is a material having a high acoustic impedance, a resonator having a good Q value can be realized.

本実施の形態の圧電薄膜共振器において、下部電極12は、基板14に貫通形成された空隙15上に配されている構成としたが、基板14の表面上に空隙を形成し、その空隙上に下部電極12を配する構成としてもよい。   In the piezoelectric thin film resonator of the present embodiment, the lower electrode 12 is arranged on the gap 15 formed through the substrate 14. However, the gap is formed on the surface of the substrate 14, and the lower electrode 12 is formed on the gap. It is good also as a structure which arranges the lower electrode 12 in this.

また、本実施の形態における圧電薄膜共振器は、FBAR型圧電薄膜共振器に限らず、SMR(solidly mounted resonator)型圧電薄膜共振器であってもよい。   Further, the piezoelectric thin film resonator in the present embodiment is not limited to the FBAR type piezoelectric thin film resonator, but may be an SMR (solidly mounted resonator) type piezoelectric thin film resonator.

さらに、実施例で示した図は、共振器の主要部分のみ記載しており、他の部材が設けられていてもよい。例えば、下部電極12の下に補強またはエッチングストップ層として誘電体膜を設けたり、上部電極11にパッシベーション膜または周波数調整用の誘電体膜を設けてもよい。   Furthermore, the drawings shown in the embodiments describe only the main part of the resonator, and other members may be provided. For example, a dielectric film may be provided as a reinforcement or etching stop layer under the lower electrode 12, or a passivation film or a dielectric film for frequency adjustment may be provided on the upper electrode 11.

〔2.圧電薄膜共振器の製造方法〕
図19A〜図19Cは,圧電薄膜共振子の製造プロセスを説明するための図である。図示の圧電薄膜共振器は、実施例4に示す圧電薄膜共振器において基板14の表面と下部電極12との間に空隙を形成した構成を一例として挙げている。
[2. Method for manufacturing piezoelectric thin film resonator]
19A to 19C are diagrams for explaining a manufacturing process of the piezoelectric thin film resonator. The illustrated piezoelectric thin film resonator has a configuration in which a gap is formed between the surface of the substrate 14 and the lower electrode 12 in the piezoelectric thin film resonator shown in the fourth embodiment.

先ず、図19Aに示すように、Si基板(あるいは石英基板)からなる基板14上に,酸化マグネシウム(MgO)からなる犠牲層膜30を、スパッタリング法や真空蒸着法により成膜する。基板14の厚さは、例えば。20〜100nm程度とした。犠牲層30は,MgOの他にも,酸化亜鉛(ZnO),ゲルマニウム(Ge),チタン(Ti),酸化ケイ素(SiO2)など,エッチング液により容易に溶解できる材料であれば特に制限はない。   First, as shown in FIG. 19A, a sacrificial layer film 30 made of magnesium oxide (MgO) is formed on a substrate 14 made of an Si substrate (or quartz substrate) by a sputtering method or a vacuum evaporation method. The thickness of the substrate 14 is, for example. The thickness was about 20 to 100 nm. The sacrificial layer 30 is not particularly limited as long as it is a material that can be easily dissolved by an etching solution, such as zinc oxide (ZnO), germanium (Ge), titanium (Ti), silicon oxide (SiO 2), in addition to MgO.

次に,フォトリソグラフィー技術とエッチング処理により,犠牲層30を所望の形状にパターニングする。ここでは,上部電極11と下部電極12とが重なりあった部分の形状と概ね等しい楕円形状にパターニングした。   Next, the sacrificial layer 30 is patterned into a desired shape by photolithography and etching. Here, the upper electrode 11 and the lower electrode 12 are patterned into an elliptical shape that is substantially equal to the shape of the overlapping portion.

次に,図19Bに示すように、基板14及び犠牲層30上に下部電極12、圧電膜13、上部電極11、重み付け層を順次形成する。下部電極12は、スパッタリング成膜され,さらにフォトリソグラフィー処理とエッチング処理により下部電極12を所望の形状にパターニングする。これに続いて,圧電膜13であるAlNを、Ar/N2混合ガス雰囲気中でAlターゲットを用いてスパッタリング成膜する。そして,上部電極11のRu膜を、スパッタリング成膜する。更に、重み付け層を、例えばTiであればスパッタリング成膜する。このようにして成膜された積層膜に、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理(ウェットエッチングまたはドライエッチング)を施し,重み付け層,上部電極11と圧電膜13とを所望の形状にパターニングする。スパッタ条件は、下部電極12,圧電膜13,上部電極11からなる積層膜の応力が圧縮応力となるように設定する。メンブレンに接する上部電極11の引出部分の中央部は,この次の工程で形成する空隙の上に形成され,上部電極11の引出部分の両端部は空隙の外側になるように形成している。   Next, as illustrated in FIG. 19B, the lower electrode 12, the piezoelectric film 13, the upper electrode 11, and the weighting layer are sequentially formed on the substrate 14 and the sacrificial layer 30. The lower electrode 12 is formed by sputtering, and the lower electrode 12 is patterned into a desired shape by photolithography and etching. Subsequently, AlN as the piezoelectric film 13 is formed by sputtering using an Al target in an Ar / N2 mixed gas atmosphere. Then, the Ru film of the upper electrode 11 is formed by sputtering. Furthermore, if the weighting layer is Ti, for example, sputtering film formation is performed. The laminated film thus formed is subjected to a photolithography technique and an etching process (wet etching or dry etching), and the weighting layer, the upper electrode 11 and the piezoelectric film 13 are patterned into a desired shape. The sputtering conditions are set so that the stress of the laminated film composed of the lower electrode 12, the piezoelectric film 13, and the upper electrode 11 becomes a compressive stress. The central portion of the lead portion of the upper electrode 11 in contact with the membrane is formed on the gap formed in the next step, and both end portions of the lead portion of the upper electrode 11 are formed outside the gap.

次に,図19Cに示すように、下部電極12に対して,レジストパターニングによるフォトリソグラフィー技術によりエッチング液導入孔を形成し,このエッチング液導入孔からエッチング液を導入して犠牲層30をエッチング除去することで、空隙31を形成する。エッチング液導入孔は、下部電極12をエッチングする際に同時に形成しておいてもよい。ここで,下部電極12、圧電膜13および上部電極11からなる積層膜の応力が圧縮応力となるように設定される。このような応力条件を満足することにより,犠牲層30のエッチング終了時点で,積層膜が膨れ上がり下部電極12と基板14との間にドーム形状の空隙31を形成することができる。   Next, as shown in FIG. 19C, an etching solution introduction hole is formed in the lower electrode 12 by a photolithography technique using resist patterning, and the etching solution is introduced from the etching solution introduction hole to remove the sacrificial layer 30 by etching. By doing so, the air gap 31 is formed. The etchant introduction hole may be formed at the same time when the lower electrode 12 is etched. Here, the stress of the laminated film composed of the lower electrode 12, the piezoelectric film 13, and the upper electrode 11 is set to be a compressive stress. By satisfying such a stress condition, at the end of the etching of the sacrificial layer 30, the laminated film swells and a dome-shaped gap 31 can be formed between the lower electrode 12 and the substrate 14.

〔3.デュープレクサの構成〕
携帯電話端末、PHS(Personal Handy-phone System)端末、無線LANシステムなどの移動体通信(高周波無線通信)には、デュープレクサが搭載されている。デュープレクサは、通信電波などの送信機能及び受信機能を持ち、送信信号と受信信号の周波数が異なる無線装置において用いられる。
[3. (Duplexer configuration)
A duplexer is mounted in mobile communication (high-frequency wireless communication) such as a mobile phone terminal, a PHS (Personal Handy-phone System) terminal, and a wireless LAN system. The duplexer has a transmission function and a reception function for communication radio waves and the like, and is used in a wireless device in which frequencies of a transmission signal and a reception signal are different.

図20は、本実施の形態の圧電薄膜共振器を備えたデュープレクサの構成を示す。デュープレクサ52は、位相整合回路53、受信フィルタ54、および送信フィルタ55を備えている。位相整合回路53は、送信フィルタ55から出力される送信信号が受信フィルタ54側に流れ込むのを防ぐために、受信フィルタ54のインピーダンスの位相を調整するための素子である。また、位相整合回路53には、アンテナ51が接続されている。受信フィルタ54は、アンテナ51を介して入力される受信信号のうち、所定の周波数帯域のみを通過させる帯域通過フィルタで構成されている。また、受信フィルタ54には、出力端子56が接続されている。送信フィルタ55は、入力端子57を介して入力される送信信号のうち、所定の周波数帯域のみを通過させる帯域通過フィルタで構成されている。また、送信フィルタ55には、入力端子57が接続されている。ここで、受信フィルタ54及び送信フィルタ55には、本実施の形態における圧電薄膜共振器が含まれている。   FIG. 20 shows a configuration of a duplexer including the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment. The duplexer 52 includes a phase matching circuit 53, a reception filter 54, and a transmission filter 55. The phase matching circuit 53 is an element for adjusting the phase of the impedance of the reception filter 54 in order to prevent the transmission signal output from the transmission filter 55 from flowing into the reception filter 54 side. An antenna 51 is connected to the phase matching circuit 53. The reception filter 54 is configured by a band-pass filter that allows only a predetermined frequency band of the reception signal input via the antenna 51 to pass. An output terminal 56 is connected to the reception filter 54. The transmission filter 55 is configured by a band pass filter that allows only a predetermined frequency band among the transmission signals input via the input terminal 57 to pass. An input terminal 57 is connected to the transmission filter 55. Here, the reception filter 54 and the transmission filter 55 include the piezoelectric thin film resonator in the present embodiment.

以上のように、本実施の形態の圧電薄膜共振器を受信フィルタ54及び送信フィルタ55に備えることで、通過帯域内におけるスパイク状の損失(スプリアス)の発生を防止し、挿入損失、EVM(Error Vector Magnitude)を低下させることができる。   As described above, the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment is provided in the reception filter 54 and the transmission filter 55, thereby preventing the occurrence of spike-like loss (spurious) in the passband, and the insertion loss, EVM (Error Vector Magnitude) can be reduced.

〔4.通信モジュールの構成〕
図21は、本実施の形態の圧電薄膜共振器または上記デュープレクサを備えた通信モジュールの一例を示す。図21に示すように、デュープレクサ62は、受信フィルタ62aと送信フィルタ62bとを備えている。また、受信フィルタ62aには、例えばバランス出力に対応した受信端子63a及び63bが接続されている。また、送信フィルタ62bは、パワーアンプ64を介して送信端子65に接続している。ここで、受信フィルタ62a及び送信フィルタ62bには、本実施の形態における圧電薄膜共振器が含まれている。
[4. (Configuration of communication module)
FIG. 21 shows an example of a communication module including the piezoelectric thin film resonator of the present embodiment or the above duplexer. As shown in FIG. 21, the duplexer 62 includes a reception filter 62a and a transmission filter 62b. The reception filter 62a is connected to reception terminals 63a and 63b corresponding to, for example, balanced output. The transmission filter 62b is connected to the transmission terminal 65 via the power amplifier 64. Here, the reception filter 62a and the transmission filter 62b include the piezoelectric thin film resonator in the present embodiment.

受信動作を行う際、受信フィルタ62aは、アンテナ端子61を介して入力される受信信号のうち、所定の周波数帯域の信号のみを通過させ、受信端子63a及び63bから外部へ出力する。また、送信動作を行う際、送信フィルタ62bは、送信端子65から入力されてパワーアンプ64で増幅された送信信号のうち、所定の周波数帯域の信号のみを通過させ、アンテナ端子61から外部へ出力する。   When performing a reception operation, the reception filter 62a passes only a signal in a predetermined frequency band among reception signals input via the antenna terminal 61, and outputs the signal from the reception terminals 63a and 63b to the outside. Further, when performing a transmission operation, the transmission filter 62b passes only a signal in a predetermined frequency band among transmission signals input from the transmission terminal 65 and amplified by the power amplifier 64, and outputs the signal from the antenna terminal 61 to the outside. To do.

以上のように本実施の形態の圧電薄膜共振器またはデュープレクサを、通信モジュールの受信フィルタ62a及び送信フィルタ62bに備えることで、通過帯域内におけるスパイク状の損失(スプリアス)の発生を防止し、挿入損失、EVM(Error Vector Magnitude)を低下させることができる。   As described above, the piezoelectric thin film resonator or duplexer according to the present embodiment is provided in the reception filter 62a and the transmission filter 62b of the communication module, thereby preventing the occurrence of spike-like loss (spurious) in the passband and inserting Loss and EVM (Error Vector Magnitude) can be reduced.

なお、図21に示す通信モジュールの構成は一例であり、他の形態の通信モジュールに本発明の圧電薄膜共振器を搭載しても、同様の効果が得られる。   The configuration of the communication module shown in FIG. 21 is an example, and the same effect can be obtained even when the piezoelectric thin film resonator of the present invention is mounted on a communication module of another form.

〔5.通信装置の構成〕
図22は、本実施の形態の圧電薄膜共振器を備えた通信装置の一例として、携帯電話端末のRFブロックを示す。また、図22に示す構成は、GSM(Global System for Mobile Communications)通信方式及びW−CDMA(Wideband Code Divition Multiple Access)通信方式に対応した携帯電話端末の構成を示す。また、本実施の形態におけるGSM通信方式は、850MHz帯、950MHz帯、1.8GHz帯、1.9GHz帯に対応している。また、携帯電話端末は、図22に示す構成以外にマイクロホン、スピーカー、液晶ディスプレイなどを備えているが、本実施の形態における説明では不要であるため図示を省略した。ここで、受信フィルタ73a,77,78,79,80、および送信フィルタ73bには、本実施の形態における圧電薄膜共振器が含まれている。
[5. Configuration of communication device]
FIG. 22 shows an RF block of a mobile phone terminal as an example of a communication device including the piezoelectric thin film resonator of the present embodiment. The configuration shown in FIG. 22 shows the configuration of a mobile phone terminal that supports a GSM (Global System for Mobile Communications) communication scheme and a W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) communication scheme. Further, the GSM communication system in the present embodiment corresponds to the 850 MHz band, 950 MHz band, 1.8 GHz band, and 1.9 GHz band. In addition to the configuration shown in FIG. 22, the mobile phone terminal includes a microphone, a speaker, a liquid crystal display, and the like, but they are not shown in the description of the present embodiment because they are not necessary. Here, the reception filters 73a, 77, 78, 79, and 80 and the transmission filter 73b include the piezoelectric thin film resonator according to the present embodiment.

まず、アンテナ71を介して入力される受信信号は、その通信方式がW−CDMAかGSMかによってアンテナスイッチ回路72で、動作の対象とするLSIを選択する。入力される受信信号がW−CDMA通信方式に対応している場合は、受信信号をデュープレクサ73に出力するように切り換える。デュープレクサ73に入力される受信信号は、受信フィルタ73aで所定の周波数帯域に制限されて、バランス型の受信信号がLNA74に出力される。LNA74は、入力される受信信号を増幅し、LSI76に出力する。LSI76では、入力される受信信号に基づいて音声信号への復調処理を行ったり、携帯電話端末内の各部を動作制御する。   First, the received signal input via the antenna 71 selects an LSI to be operated by the antenna switch circuit 72 depending on whether the communication method is W-CDMA or GSM. When the input received signal is compatible with the W-CDMA communication system, switching is performed so that the received signal is output to the duplexer 73. The reception signal input to the duplexer 73 is limited to a predetermined frequency band by the reception filter 73 a, and a balanced reception signal is output to the LNA 74. The LNA 74 amplifies the input received signal and outputs it to the LSI 76. The LSI 76 performs demodulation processing on the audio signal based on the input received signal and controls the operation of each unit in the mobile phone terminal.

一方、信号を送信する場合は、LSI76は送信信号を生成する。生成された送信信号は、パワーアンプ75で増幅されて送信フィルタ73bに入力される。送信フィルタ73bは、入力される送信信号のうち所定の周波数帯域の信号のみを通過させる。送信フィルタ73bから出力される送信信号は、アンテナスイッチ回路72を介してアンテナ71から外部に出力される。   On the other hand, when transmitting a signal, the LSI 76 generates a transmission signal. The generated transmission signal is amplified by the power amplifier 75 and input to the transmission filter 73b. The transmission filter 73b passes only a signal in a predetermined frequency band among input transmission signals. The transmission signal output from the transmission filter 73 b is output from the antenna 71 to the outside via the antenna switch circuit 72.

また、入力される受信信号がGSM通信方式に対応した信号である場合は、アンテナスイッチ回路72は、周波数帯域に応じて受信フィルタ77〜80のうちいずれか一つを選択し、受信信号を出力する。受信フィルタ77〜80のうちいずれか一つで帯域制限された受信信号は、LSI83に入力される。LSI83は、入力される受信信号に基づいて音声信号への復調処理を行ったり、携帯電話端末内の各部を動作制御する。一方、信号を送信する場合は、LSI83は送信信号を生成する。生成された送信信号は、パワーアンプ81または82で増幅されて、アンテナスイッチ回路72を介してアンテナ71から外部に出力される。   In addition, when the received signal to be input is a signal corresponding to the GSM communication system, the antenna switch circuit 72 selects any one of the reception filters 77 to 80 according to the frequency band and outputs the received signal. To do. A reception signal whose band is limited by any one of the reception filters 77 to 80 is input to the LSI 83. The LSI 83 performs a demodulation process on the audio signal based on the input received signal, and controls the operation of each unit in the mobile phone terminal. On the other hand, when transmitting a signal, the LSI 83 generates a transmission signal. The generated transmission signal is amplified by the power amplifier 81 or 82 and output from the antenna 71 to the outside via the antenna switch circuit 72.

以上のように、本実施の形態の圧電薄膜共振器、またはその圧電薄膜共振器を備えた通信モジュールを通信装置に備えることで、通過帯域内におけるスパイク状の損失(スプリアス)の発生を防止し、挿入損失、EVM(Error Vector Magnitude)を低下させることができる。   As described above, by providing the communication device with the piezoelectric thin film resonator of the present embodiment or the communication module including the piezoelectric thin film resonator, occurrence of spike-like loss (spurious) in the pass band can be prevented. Insertion loss and EVM (Error Vector Magnitude) can be reduced.

〔6.実施の形態の効果、他〕
本実施の形態によれば、上下電極が対向して形成される領域とその外側の領域の境界で、境界の一部の音響インピーダンスがそれより内側の領域の音響インピーダンスより大きくなるよう上部電極11上に質量体16を付加したことにより、圧電膜13中に横モードの波を閉じ込めることができ、かつ一部の境界には質量付加しないことから、質量付加しない個所を適切に選ぶことで、横モードの定在波の強度が大きくなることを防止することができる。よって、横波のエネルギー散逸を防止しながら従来例より電気機械結合係数の低下を抑制し、帯域幅が狭くなることを防ぐことができる。また、定在波モードの増大を抑圧することができ、共振点より低周波側に大きなスパイク状の損失点(スプリアス)が発生することを防止することができる。
[6. Effects of the embodiment, etc.]
According to the present embodiment, at the boundary between the region where the upper and lower electrodes are formed to face each other and the region outside the upper electrode 11, the acoustic impedance of a part of the boundary is larger than the acoustic impedance of the region inside it. By adding the mass body 16 on the top, it is possible to confine transverse mode waves in the piezoelectric film 13 and not add mass to some boundaries. It is possible to prevent the strength of the standing wave in the transverse mode from increasing. Therefore, it is possible to suppress the decrease in the electromechanical coupling coefficient as compared with the conventional example while preventing the energy dissipation of the transverse wave, and to prevent the bandwidth from being narrowed. Further, an increase in the standing wave mode can be suppressed, and a large spike-like loss point (spurious) can be prevented from being generated on the lower frequency side than the resonance point.

また、上下電極が対向して形成される領域とその外側の領域の境界で、境界の上部電極11の端部と一致する個所の音響インピーダンスが上部電極11の端部と一致しない個所の音響インピーダンスと異なる構成としたことにより、圧電膜13中に横モードの波を閉じ込めることができ、かつ音響インピーダンスの異なる境界で反射した横モードの波の位相が各々異なるため、横モードの定在波の強度が大きくなることを防止できる。   Further, at the boundary between the region where the upper and lower electrodes are opposed to each other and the region outside the region, the acoustic impedance at a location where the acoustic impedance matches the end of the upper electrode 11 at the boundary does not match the end of the upper electrode 11. Since the transverse mode waves can be confined in the piezoelectric film 13 and the phases of the transverse mode waves reflected at different boundaries of the acoustic impedance are different from each other. An increase in strength can be prevented.

また、質量体の少なくとも一部が誘電体あるいは圧電体を含み、誘電体あるいは圧電体が上部電極11と接している構成とすることにより、質量付加する位置を可能な限り境界の際に位置せしめることができ、質量付加したことによって振動に寄与する面積が減少し、電気機械結合係数k^2が低下することを防止できる。   Further, by adopting a configuration in which at least a part of the mass body includes a dielectric or a piezoelectric body and the dielectric or piezoelectric body is in contact with the upper electrode 11, the position where the mass is added is positioned as close to the boundary as possible. It is possible to reduce the area that contributes to vibration by adding mass and to prevent the electromechanical coupling coefficient k ^ 2 from decreasing.

また、上下電極が対向して形成される領域とその外側の領域の境界において、上部電極11に90°未満の傾斜角を備えた傾斜部11a及び11bを備えたことにより、質量体を配置する際に段差による形状の不連続、製造の不具合を防ぐことができ、品質の良い共振器を形成することができる。   Further, the mass body is arranged by providing the upper electrode 11 with the inclined portions 11a and 11b having an inclination angle of less than 90 ° at the boundary between the region where the upper and lower electrodes are opposed to each other and the outer region. In this case, it is possible to prevent the discontinuity of the shape due to the step and the manufacturing defect, and it is possible to form a high-quality resonator.

また、上部電極11の端部と一致しない境界の音響インピーダンスを増すように負荷された質量体が、TiおよびAuを含む低抵抗電極で構成することにより、共振部R1に横波を閉じ込めることができると同時に、共振器の直列抵抗を減じることができ、高Qな共振器を形成することができる。   Further, when the mass body loaded so as to increase the acoustic impedance at the boundary that does not coincide with the end of the upper electrode 11 is composed of the low resistance electrode containing Ti and Au, the transverse wave can be confined in the resonance part R1. At the same time, the series resistance of the resonator can be reduced, and a high-Q resonator can be formed.

また、上下電極が対向して形成される領域が楕円形状としたことにより、例え共振部R1と非共振部R2との境界で横波が反射しても、特定の方向の反射波が強め合うことがなく、横モードの定在波が強まることをより一層抑圧することができる。   In addition, since the region where the upper and lower electrodes are opposed to each other has an elliptical shape, even if a transverse wave is reflected at the boundary between the resonance part R1 and the non-resonance part R2, reflected waves in a specific direction are strengthened. It is possible to further suppress the strengthening of the standing wave in the transverse mode.

また、上下電極が対向して形成される領域が非方形の多角形状としたことにより、例え共振部R1と非共振部R2との境界で横波が反射しても、特定の方向の反射波が強め合うことがなく、横モードの定在波が強まることをより一層抑圧することができる。   In addition, since the region formed by facing the upper and lower electrodes is a non-rectangular polygonal shape, even if a transverse wave is reflected at the boundary between the resonance part R1 and the non-resonance part R2, a reflected wave in a specific direction is generated. It is possible to further suppress the strengthening of the standing wave in the transverse mode without strengthening each other.

また、傾斜部11a及び11bをドライエッチング処理により形成したことにより、精度良く傾斜部を形成することができる。   Further, since the inclined portions 11a and 11b are formed by the dry etching process, the inclined portions can be formed with high accuracy.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係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。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

(付記1)
基板と、前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振器であって、前記上部電極上に配された質量体を備え、前記質量体は、前記上部電極における前記下部電極に対向する領域の端部の一部に配されている、圧電薄膜共振器。
(Appendix 1)
Piezoelectric thin film comprising: a substrate; an upper electrode and a lower electrode disposed on the substrate and partially disposed to face each other; and a piezoelectric film disposed between the upper electrode and the lower electrode A resonator comprising a mass body disposed on the upper electrode, wherein the mass body is disposed at a part of an end portion of the upper electrode facing the lower electrode. vessel.

(付記2)
前記質量体は、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における前記圧電膜の一部の見かけの音響インピーダンスが、前記境界より内側の領域における前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスより大きくなる位置に配されている、付記1記載の圧電薄膜共振器。
(Appendix 2)
The mass body has an apparent acoustic impedance of a part of the piezoelectric film at a boundary between a region where the upper electrode and the lower electrode are opposed to each other and a region outside the region, in a region inside the boundary. The piezoelectric thin film resonator according to appendix 1, wherein the piezoelectric thin film resonator is disposed at a position larger than an apparent acoustic impedance of the piezoelectric film.

(付記3)
前記質量体は、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における、前記上部電極の端部と一致する境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスと、前記上部電極の端部と一致しない境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスとが異なるように配されている、付記1記載の圧電薄膜共振器。
(Appendix 3)
The mass body has an apparent acoustic impedance of the piezoelectric film at a boundary that coincides with an end of the upper electrode at a boundary between a region where the upper electrode and the lower electrode are opposed to each other and a region outside the region. 2. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film resonator is arranged so that an apparent acoustic impedance of the piezoelectric film at a boundary that does not coincide with an end portion of the upper electrode is different.

(付記4)
前記質量体は、少なくとも一部が誘電体あるいは圧電体を含み、前記誘電体あるいは圧電体が前記上部電極と接している、付記1〜3のいずれかに記載の圧電薄膜共振器。
(Appendix 4)
The piezoelectric thin film resonator according to any one of appendices 1 to 3, wherein at least a part of the mass body includes a dielectric or a piezoelectric body, and the dielectric or the piezoelectric body is in contact with the upper electrode.

(付記5)
前記上部電極は、前記下部電極に対向する領域と、その領域よりも外側の領域との境界において、90°未満の傾斜部を備えている、付記1〜3のいずれかに記載の圧電薄膜共振器。
(Appendix 5)
The piezoelectric thin film resonance according to any one of appendices 1 to 3, wherein the upper electrode includes an inclined portion of less than 90 ° at a boundary between a region facing the lower electrode and a region outside the region. vessel.

(付記6)
前記質量体は、チタン(Ti)および金(Au)を含む、付記1〜4に記載の圧電薄膜共振器。
(Appendix 6)
The piezoelectric thin film resonator according to appendices 1 to 4, wherein the mass body includes titanium (Ti) and gold (Au).

(付記7)
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が楕円形状である、付記1〜3に記載の圧電薄膜共振器。
(Appendix 7)
The piezoelectric thin film resonance according to any one of appendices 1 to 3, wherein the region formed by facing the upper electrode and the lower electrode is an elliptical shape when viewed in the normal direction of the main plane of the upper electrode. vessel.

(付記8)
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が非方形の多角形である、付記1〜3に記載の圧電薄膜共振器。
(Appendix 8)
The region formed by the upper electrode and the lower electrode facing each other is a polygon having a non-rectangular shape when viewed in the normal direction of the main plane of the upper electrode. Piezoelectric thin film resonator.

(付記9)
前記傾斜部は、ドライエッチング処理により形成された、付記8記載の圧電薄膜共振器。
(Appendix 9)
The piezoelectric thin film resonator according to appendix 8, wherein the inclined portion is formed by a dry etching process.

(付記10)
前記圧電膜は、窒化アルミニウム(AlN)で形成されている、付記1〜3に記載の圧電薄膜共振器。
(Appendix 10)
The piezoelectric thin film resonator according to any one of supplementary notes 1 to 3, wherein the piezoelectric film is made of aluminum nitride (AlN).

(付記11)
前記誘電体は、酸化ケイ素(SiO2)で形成されている、付記4記載の圧電薄膜共振器。
(Appendix 11)
The piezoelectric thin film resonator according to appendix 4, wherein the dielectric is made of silicon oxide (SiO2).

(付記12)
前記上部電極及び前記下部電極は、少なくとも前記圧電膜に接する部分がルテニウム(Ru)で形成されている、付記1〜9に記載の圧電薄膜共振器。
(Appendix 12)
10. The piezoelectric thin film resonator according to appendices 1 to 9, wherein at least a portion of the upper electrode and the lower electrode that are in contact with the piezoelectric film is formed of ruthenium (Ru).

(付記13)
付記1〜12のいずれかに記載の圧電薄膜共振器を備えた、フィルタ。
(Appendix 13)
A filter comprising the piezoelectric thin film resonator according to any one of appendices 1 to 12.

(付記14)
付記13に記載のフィルタを備えた、デュープレクサ。
(Appendix 14)
A duplexer comprising the filter according to appendix 13.

(付記15)
付記13に記載のフィルタ、または付記14に記載のデュープレクサを備えた、通信モジュール。
(Appendix 15)
A communication module comprising the filter according to appendix 13 or the duplexer according to appendix 14.

(付記16)
付記15に記載の通信モジュールを備えた、通信装置。
(Appendix 16)
A communication device comprising the communication module according to attachment 15.

本発明の圧電薄膜共振器は、所定周波数の信号を受信または送信することができる機器に有用である。   The piezoelectric thin film resonator of the present invention is useful for an apparatus capable of receiving or transmitting a signal having a predetermined frequency.

11 上部電極
12 下部電極
13 圧電膜
14 基板
16 質量体
11 Upper electrode 12 Lower electrode 13 Piezoelectric film 14 Substrate 16 Mass

Claims (15)

基板と、
前記基板上に配され、一部が互いに対向するように配置された上部電極及び下部電極と、
前記上部電極と前記下部電極との間に配された圧電膜とを備えた圧電薄膜共振器であって、
前記上部電極上に配された質量体を備え、
前記上部電極は、前記下部電極に対向する領域と、その領域よりも外側の領域との境界において、90°未満の傾斜部を備えているとともに、
前記質量体は、前記傾斜部上に配されているとともに、
前記質量体では、前記上部電極の端部の傾斜部上の質量体と、前記端部に対向する傾斜部上の質量体とが、それぞれ異なる材料で構成されている、
圧電薄膜共振器。
A substrate,
An upper electrode and a lower electrode disposed on the substrate and partially disposed to face each other;
A piezoelectric thin film resonator comprising a piezoelectric film disposed between the upper electrode and the lower electrode,
Comprising a mass disposed on the upper electrode;
The upper electrode includes an inclined portion of less than 90 ° at a boundary between a region facing the lower electrode and a region outside the region,
The mass body is disposed on the inclined portion,
In the mass body, the mass body on the inclined portion of the end portion of the upper electrode and the mass body on the inclined portion facing the end portion are made of different materials, respectively.
Piezoelectric thin film resonator.
前記質量体は、
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における前記圧電膜の一部の見かけの音響インピーダンスが、前記境界より内側の領域における前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスより大きくなる位置に配されている、請求項1記載の圧電薄膜共振器。
The mass body is
The apparent acoustic impedance of a part of the piezoelectric film at the boundary between the region where the upper electrode and the lower electrode are opposed to each other and the region outside the region is apparent from the apparent acoustic impedance of the piezoelectric film in the region inside the boundary. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film resonator is disposed at a position larger than the acoustic impedance of the piezoelectric thin film resonator.
前記質量体は、
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域とその外側の領域との境界における、前記上部電極の端部と一致する境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスと、前記上部電極の端部と一致しない境界の前記圧電膜の見かけの音響インピーダンスとが異なるように配されている、請求項1記載の圧電薄膜共振器。
The mass body is
An apparent acoustic impedance of the piezoelectric film at a boundary that coincides with an end of the upper electrode at a boundary between a region where the upper electrode and the lower electrode are opposed to each other and a region outside the region, and the upper electrode 2. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film resonator is arranged so that an apparent acoustic impedance of the piezoelectric film at a boundary that does not coincide with an end of the piezoelectric film is different.
前記質量体は、
少なくとも一部が誘電体あるいは圧電体を含み、前記誘電体あるいは圧電体が前記上部電極と接している、請求項1〜3のいずれかに記載の圧電薄膜共振器。
The mass body is
The piezoelectric thin film resonator according to any one of claims 1 to 3, wherein at least a part includes a dielectric or a piezoelectric body, and the dielectric or the piezoelectric body is in contact with the upper electrode.
前記質量体は、
チタン(Ti)および金(Au)を含む、請求項1〜4に記載の圧電薄膜共振器。
The mass body is
The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, comprising titanium (Ti) and gold (Au).
前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が楕円形状である、請求項1〜3に記載の圧電薄膜共振器。   4. The piezoelectric thin film according to claim 1, wherein a region formed by facing the upper electrode and the lower electrode has an elliptical shape when viewed in a normal direction of a main plane of the upper electrode. Resonator. 前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成される領域が、前記上部電極の主平面の法線方向に見た時の形状が非方形の多角形である、請求項1〜3に記載の圧電薄膜共振器。   The region formed by facing the upper electrode and the lower electrode is a polygon having a non-rectangular shape when viewed in the normal direction of the main plane of the upper electrode. Piezoelectric thin film resonator. 前記傾斜部は、
ドライエッチング処理により形成された、請求項7記載の圧電薄膜共振器。
The inclined portion is
The piezoelectric thin film resonator according to claim 7, wherein the piezoelectric thin film resonator is formed by a dry etching process.
前記圧電膜は、
窒化アルミニウム(AlN)で形成されている、請求項1〜3に記載の圧電薄膜共振器。
The piezoelectric film is
The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, which is made of aluminum nitride (AlN).
前記誘電体は、
酸化ケイ素(SiO2)で形成されている、請求項4記載の圧電薄膜共振器。
The dielectric is
The piezoelectric thin film resonator according to claim 4, wherein the piezoelectric thin film resonator is made of silicon oxide (SiO2).
前記上部電極及び前記下部電極は、
少なくとも前記圧電膜に接する部分がルテニウム(Ru)で形成されている、請求項1〜8に記載の圧電薄膜共振器。
The upper electrode and the lower electrode are
The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein at least a portion in contact with the piezoelectric film is made of ruthenium (Ru).
請求項1〜11のいずれかに記載の圧電薄膜共振器を備えた、フィルタ。   A filter comprising the piezoelectric thin film resonator according to claim 1. 請求項12に記載のフィルタを備えた、デュープレクサ。   A duplexer comprising the filter according to claim 12. 請求項12に記載のフィルタ、または請求項13に記載のデュープレクサを備えた、通信モジュール。 A communication module comprising the filter according to claim 12 or the duplexer according to claim 13 . 請求項14に記載の通信モジュールを備えた、通信装置。   A communication device comprising the communication module according to claim 14.
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