JP5931490B2

JP5931490B2 - 弾性波デバイス

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Publication number: JP5931490B2
Application number: JP2012029958A
Authority: JP
Inventors: 眞司谷口; 西原　時弘; 時弘西原
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-02-14
Also published as: JP2013168748A

Description

本発明は、弾性波デバイスに関し、例えば圧電薄膜共振器を含む弾性波デバイスに関する。

圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば無線機器等のフィルタとして用いられている。圧電薄膜共振器は、圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する構造を有している。圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスとして、例えばフィルタがある。これら弾性波デバイスにおいては、共振周波数、反共振周波数または通過帯域等の周波数が温度により変化する。これらの温度変化を補償する技術として、圧電膜内に絶縁膜を設ける技術が知られている（例えば特許文献１および非特許文献１）

特開平１−４８６９４号公報

Proc. IEEE Ultrasonics Symposium 2009, pp859-862

しかしながら、上記技術においては、圧電薄膜共振器の共振周波数等の温度特性が改善できる一方、電気機械結合係数等の共振特性が劣化する。このように、温度特性と共振特性はトレードオフとなる。このため、同一チップ内の複数の圧電薄膜共振器は一様な温度特性と共振特性を有することになる。よって、設計自由度が限られることとなる。例えば、絶縁膜の厚さが異なる共振器を形成すれば、共振器毎に温度特性と共振特性を異ならせることができる。しかしながら、絶縁膜の厚さの異なる共振器を形成することは、製造工程の工数の増加となる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、共振器毎に温度特性と共振特性を異ならせることを可能とすることを目的とする。

本発明は基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、またはチタン酸鉛を主に含む少なくとも２層の圧電膜と、前記少なくとも２層の圧電膜に挟まれ、酸化シリコンまたは窒化シリコンを主に含み、前記少なくとも２層の圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の弾性定数の温度係数を有する絶縁膜と、前記少なくとも２層の圧電膜上に形成された上部電極と、を備え、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域における前記絶縁膜の面積は前記共振領域の面積とは異なる圧電薄膜共振器を具備することを特徴とすることを特徴とする弾性波デバイスである。本発明によれば、共振器毎に温度特性と共振特性を異ならせることができる。

本発明は、基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、またはチタン酸鉛を主に含む少なくとも２層の圧電膜と、前記少なくとも２層の圧電膜に挟まれ、酸化シリコンまたは窒化シリコンを主に含み、前記少なくとも２層の圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の弾性定数の温度係数を有する絶縁膜と、前記少なくとも２層の圧電膜上に形成された上部電極と、を備え、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域内の前記絶縁膜は凹部および凸部を有する圧電薄膜共振器を具備することを特徴とする弾性波デバイスを具備することを特徴とする弾性波デバイスである。本発明によれば、共振器毎に温度特性と共振特性を異ならせることができる。

上記構成において、前記少なくとも２層の圧電膜は２層であり、前記絶縁膜は１層である構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域に対する前記共振領域における前記絶縁膜の面積比が互いに異なる複数の前記圧電薄膜共振器を具備する構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域に対する前記共振領域における前記凹部の面積比が互いに異なる複数の前記圧電薄膜共振器を具備する構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の圧電薄膜共振器は、フィルタの直列共振器と並列共振器を含み、前記直列共振器のうち少なくとも１つの共振器の前記面積比と前記並列共振器のうち少なくとも１つの共振器の前記面積比とは異なる構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の圧電薄膜共振器は、フィルタの直列共振器と並列共振器を含み、前記直列共振器と前記並列共振器との少なくとも一方の複数の共振器内の少なくとも１つの共振器は、前記少なくとも一方の複数の共振器内の他の共振器と前記面積比が異なる構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域における前記少なくとも２層の圧電膜のうち最上の圧電膜の外周の少なくとも一部は、前記上部電極の外周より内側に位置する構成とすることができる。

上記構成において、前記下部電極の下に空隙または音響反射膜が設けられ、前記最上の圧電膜の外周が前記上部電極の外周より内側に形成された領域において、前記空隙または音響反射膜の外周は、前記上部電極の外周より外側に位置する構成とすることができる。

上記構成において、前記下部電極の下に空隙が設けられ、前記最上の圧電膜の外周が前記上部電極の外周より内側に形成された領域において、前記空隙の外周は、前記上部電極の外周より外側に位置し、かつ前記少なくとも２層の圧電膜のうち最下の圧電膜の外周の内側に位置する構成とすることができる。

上記構成において、前記少なくとも２層の圧電膜は主に窒化アルミニウムを含み、前記絶縁膜は主に酸化シリコンを含む構成とすることができる。

本発明によれば、共振器毎に温度特性と共振特性を異ならせることができる。

図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）から図２（ｄ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図３（ａ）は絶縁膜の一例を示す平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図４（ａ）は絶縁膜の別の一例を示す平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５（ａ）から図５（ｄ）は、絶縁膜の別の一例を示す平面図（その１）である。図６（ａ）から図６（ｄ）は、絶縁膜の別の一例を示す平面図（その２）である。図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ比較例１および比較例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、それぞれ比較例１および比較例２に係る圧電薄膜共振器の共振周波数および反共振周波数の温度依存性を示す図である。図９は、面積比に対する電気機械結合係数および反共振周波数の温度係数を示す図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例１の変形例１における絶縁膜の断面図を示す図である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例２および変形例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１２（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）は、図１２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１４は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、実施例５に係るフィルタを示す回路図である。図１６は、実施例６に係るモジュールのブロック図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

実施例１は、弾性波デバイスに用いられる圧電薄膜共振器の例である。図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｂ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１（ｃ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。

図１（ａ）および図１（ｂ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。Ｓｉ基板である基板１０上に、基板１０の平坦主面との間に下部電極１２下側にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されるように下部電極１２が設けられている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙３０の周辺では空隙３０の高さが小さく、空隙３０の内部ほど空隙３０の高さが高くなるような形状の膨らみである。下部電極１２はＣｒ（クロム）層とＣｒ層上に形成されたＲｕ（ルテニウム）層とを含んでいる。

下部電極１２上に、（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主に含む圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は少なくとも２層の圧電膜１４ａおよび１４ｂを含む。酸化シリコン膜を主に含む絶縁膜２８が少なくとも２層の圧電膜１４ａおよび１４ｂに挟まれている。実施例１においては、圧電膜１４ａおよび１４ｂが２層、絶縁膜２８が１層の場合を例に説明する。

圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。圧電膜１４を挟み下部電極１２と上部電極１６とが対向する領域が共振領域５０である。共振領域５０は楕円状であり、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。上部電極１６はＲｕ層１６ａとＲｕ層１６ａ上に形成されたＣｒ層１６ｂとを含んでいる。

上部電極１６上には周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が形成されている。積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、絶縁膜２８、上部電極１６および周波数調整膜２４を含む。周波数調整膜２４はパッシベーション膜として機能してもよい。

図１（ａ）のように、下部電極１２には犠牲層をエッチングするための導入路３３が形成されている。犠牲層は空隙３０を形成するための層である。導入路３３の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路３３の先端に孔部３５を有する。図１（ａ）および図１（ｂ）のように、圧電膜１４には下部電極１２と電気的に接続するための開口部３６が設けられている。開口部３６の底の下部電極１２上には外部接続用のＡｕ等のバンプ用下地膜が設けられていてもよい。

図１（ａ）および図１（ｃ）を参照し、並列共振器Ｐの構造について説明する。並列共振器Ｐは直列共振器Ｓと比較し、Ｒｕ層１６ａとＣｒ層１６ｂとの間に、Ｔｉ（チタン）層を含む質量負荷膜２０が設けられている。よって、積層膜１８は直列共振器Ｓの積層膜に加え、共振領域５０内の全面に形成された質量負荷膜２０を含む。その他の構成は直列共振器Ｓの図１（ｂ）と同じであり説明を省略する。

直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差は、質量負荷膜２０の膜厚を用い調整する。直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜２４の膜厚を調整することにより行なう。

図１（ａ）から図１（ｃ）に示すように、実施例１においては、共振領域５０内の絶縁膜２８に開口２９が設けられている。すなわち、共振領域５０内における上方向からみた絶縁膜２８の形状は、共振領域５０とは異なる。

２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、下部電極１２のＣｒ層の膜厚は１００ｎｍ、Ｒｕ層の膜厚は１７０ｎｍ、ＡｌＮ層から形成される圧電膜１４ａおよび１４ｂの膜厚はそれぞれ６００ｎｍである。酸化シリコン膜から形成される絶縁膜２８の膜厚は６０ｎｍである。Ｒｕ層１６ａの膜厚は２００ｎｍ、Ｃｒ層１６ｂの膜厚は２０ｎｍである。Ｔｉ層を含む質量負荷膜２０の膜厚は１００ｎｍである。各層の膜厚は、所望の共振周波数を得るため適宜設定することができる。

下部電極１２および上部電極１６としては、ＣｒおよびＲｕ以外にもＡｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）もしくはＩｒ（イリジウム）等の金属単層膜またはこれらの複合膜を用いることができる。質量負荷膜２０については、Ｔｉ以外にも、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＩｒ等の金属単層膜またはこれらの複合膜を用いることができる。また、例えば窒化シリコンまたは酸化シリコン等の窒化金属または酸化金属からなる絶縁膜を用いることもできる。この他、質量負荷膜２０は、上部電極１６または下部電極１２と同じ膜を用いることができる。質量負荷膜２０を、下部電極１２の下、下部電極１２の層間、上部電極１６の層間、上部電極１６の上、下部電極１２と圧電膜１４との間および圧電膜１４と上部電極１６との間に形成する場合、低抵抗化のため金属膜を用いることが好ましい。また、質量負荷膜２０は、共振領域５０を含むように形成されていれば、共振領域５０より大きくてもよい。

基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、石英基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ基板等を用いることができる。圧電膜１４は窒化アルミニウム以外にも、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰｂＴｉＯ₃（チタン酸鉛）等を用いることができる。また、例えば、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主に含み、共振特性の向上または温度特性の改善のため他の元素を含んでもよい。絶縁膜２８は、酸化シリコン膜（例えばＳｉＯ_２）以外にも、窒化シリコン（例えばＳｉ_３Ｎ_４）を用いることができる。例えば、絶縁膜２８は、酸化シリコンまたは窒化シリコンを主に含み、共振特性の向上または温度依存性の改善のため他の元素を含んでもよい。

図２（ａ）から図２（ｄ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、平坦主面を有する基板１０上に空隙を形成するための犠牲層３８を形成する。犠牲層３８の膜厚は、例えば１０〜１００ｎｍであり、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＧｅまたはＳｉＯ_２等のエッチング液またはエッチングガスに容易に溶解できる材料から選択される。その後、犠牲層３８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いパターニングする。犠牲層３８の形状は、空隙３０の平面形状となるような形状であり、例えば共振領域５０を少なくとも含む。次に、犠牲層３８および基板１０上に下部電極１２を形成する。犠牲層３８および下部電極１２は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜される。その後、下部電極１２を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。下部電極１２は、リフトオフ法を用い形成することもできる。

図２（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に圧電膜１４ａ、絶縁膜２８、圧電膜１４ｂおよび上部電極１６を、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。上部電極１６を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。上部電極１６は、リフトオフ法により形成することもできる。なお、図１（ｃ）に示す並列共振器Ｐにおいては、Ｒｕ膜１６ａを成膜後、質量負荷膜２０を、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。質量負荷膜２０を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。このとき，直列共振器Ｓの質量負荷膜２０は除去される。その後、質量負荷膜２０およびＲｕ膜１６ａ上にＣｒ膜１６ｂを成膜する。

図２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い圧電膜１４ｂを所望の形状にパターニングする。圧電膜１４ｂのエッチングは、例えば燐酸を含む溶液を用いる。このとき、圧電膜１４ｂの外周の少なくとも一部が上部電極１６の外周より内側に位置してもよい。

図２（ｄ）に示すように、周波数調整膜２４を例えばスパッタリング法またはＣＶＤ法を用い形成する。フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い周波数調整膜２４を所望の形状にパターニングする。次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い絶縁膜２８および圧電膜１４ａを所望の形状にパターニングする。これにより、下部電極１２が開口部３６に露出する。よって、開口部３６を介し下部電極１２にＡｕ等のバンプを電気的に接続することができる。

その後、孔部３５および導入路３３（図１（ａ）参照）を介し、犠牲層３８のエッチング液を下部電極１２の下の犠牲層３８に導入する。これにより、犠牲層３８が除去される。犠牲層３８をエッチングする媒体としては、犠牲層３８以外の共振器を構成する材料をエッチングしない媒体であることが好ましい。特に、エッチング媒体は、エッチング媒体が接触する下部電極１２がエッチングされない媒体であることが好ましい。積層膜１８の応力を圧縮応力となるように設定しておく。これにより、犠牲層３８が除去されると、積層膜１８が基板１０の反対側に基板１０から離れるように膨れる。下部電極１２と基板１０との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成される。以上により、直列共振器Ｓが完成する。

次に絶縁膜２８の形状について説明する。図３（ａ）は絶縁膜の一例を示す平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）のように、共振領域５０内に絶縁膜２８が島状に形成されている。絶縁膜２８が形成されていない領域が開口２９である。絶縁膜２８の島は、周期的に設けられた円形状のドット状パターンである。

図４（ａ）は絶縁膜の別の一例を示す平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）のように、共振領域５０内に開口２９を有する絶縁膜２８が形成されている。開口２９は周期的に設けられた円形状のドット状パターンを含む。さらに、ドット状パターンは線状パターンにより連結されている。線状パターンはジグザグに形成されている。

図５（ａ）から図６（ｄ）は、絶縁膜の別の一例を示す平面図である。図５（ａ）に示すように、開口２９のドット状パターンは三角形状でもよい。図５（ｂ）に示すように、長軸方向にドット状パターンを連結する線状パターンと、この線状パターンから短軸方向にドット状パターンを連結する線状パターンが延伸してもよい。図５（ｃ）に示すように、ドット状パターンは四角形状でもよい。また、短軸方向にドット状パターンを連結する線状パターンと、この線状パターンから長軸方向にドット状パターンを連結する線状パターンが延伸してもよい。図５（ｄ）に示すように、ドット状のパターンは六角形であり、ドット状パターンを連結する線状パターンは放射状に形成されていてもよい。

図６（ａ）に示すように、ドット状パターンは三角形状でもよい。ドット状パターンを連結する線状パターンは、共振領域５０の上半分では長軸方向に延伸しており、下半分では、短軸方向に延伸していてもよい。図６（ｂ）に示すように、ドット状パターンを連結する線状パターンは図５（ｂ）と同じ形状であるが、ドット状パターンの位置が長軸方向に交互にずれていてもよい。図６（ｃ）に示すように、ドット状パターンは図５（ｃ）と同じ形状であるが、ドット状パターンを連結する線状パターンが短軸方向に交互にずれていてもよい。図６（ｄ）に示すように、ドット状パターンを連結する線状パターンはジグザグであり、ドット状パターンは四角形状でもよい。なお、図５（ａ）から図６（ｄ）において、絶縁膜２８と開口２９とが反転していてもよい。

このように、共振領域５０内において、絶縁膜２８は島状に形成されていてもよく、絶縁膜２８に開口２９が形成されていてもよい。いずれの例においても、共振領域５０内の絶縁膜２８の形状は共振領域５０とは異なる。共振領域５０の面積Ａ０に対する共振領域５０内の絶縁膜２８の面積Ａ１の面積比Ａ１／Ａ０は、１より小さく、かつ０より大きい。面積比Ａ１／Ａ０を所定値以下とする場合は、絶縁膜２８を島状に形成し、面積比Ａ１／Ａ０を所定値以上とする場合は、絶縁膜２８に開口を形成することができる。例えば、面積比Ａ１／Ａ０が０より大きく、かつ０．５以下の場合は、絶縁膜２８を島状に形成し、面積比Ａ１／Ａ０が０．５以上、かつ１より小さい場合は、絶縁膜２８に開口を形成することができる。

以下、実施例１の効果について説明する。図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ比較例１および比較例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図７（ａ）に示すように、比較例１に係る圧電薄膜共振器は、絶縁膜２８が形成されていない。その他の構成は、実施例１の図１（ｂ）と同じであり説明を省略する。図７（ｂ）に示すように、比較例２に係る圧電薄膜共振器は、絶縁膜２８に開口２９が形成されていない。その他の構成は、実施例１の図１（ｂ）と同じであり説明を省略する。比較例１において、圧電膜１４の膜厚は１２００ｎｍである。その他の比較例１および比較例２の各膜厚、材料は、図１（ａ）および図１（ｂ）において２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の例として説明したものを用いる。共振領域５０の形状は楕円形であり、長軸が１７５μｍ、短軸が１１０μｍである。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、それぞれ比較例１および比較例２に係る圧電薄膜共振器の共振周波数および反共振周波数の温度依存性を示す図である。共振周波数ｆｒは共振器の反射特性Ｓ１１を測定することにより求めた。反共振周波数ｆａは共振器の通過特性Ｓ２１を測定することにより求めた。図８（ａ）および図８（ｂ）は、共振器のＳ１１およびＳ２１を−３５℃から８５℃まで２０℃間隔で測定した結果である。図８（ａ）および図８（ｂ）より、比較例１および比較例２の共振周波数および反共振周波数の温度係数は以下のようになった。
比較例１
共振周波数の温度係数 −２９．６ｐｐｍ／℃
反共振周波数の温度係数 −３１．０ｐｐｍ／℃
比較例２
共振周波数の温度係数 −５．２ｐｐｍ／℃
反共振周波数の温度係数 −６．３ｐｐｍ／℃

以上のように、比較例２において、周波数の温度係数が小さくなるのは、圧電膜１４と絶縁膜２８の弾性係数の温度係数が逆符号であるためである。このように、圧電膜１４ａおよび１４ｂの間に絶縁膜２８を挟むことにより共振周波数および反共振周波数の温度依存性を抑制できる。

次に、実施例１において、面積比Ａ１／Ａを０から１まで変化させ、電気機械結合係数および温度係数をシミュレーションした。各膜厚、材料は、図１（ａ）および図１（ｂ）の説明において２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の例として説明したものを用いる。共振領域５０の形状は楕円形であり、長軸が１７５μｍ、短軸が１１０μｍである。図９は、面積比に対する電気機械結合係数および反共振周波数の温度係数を示す図である。面積比Ａ１／Ａ０が０の場合、比較例１に対応する。面積比Ａ１／Ａ０が１の場合、比較例２に対応する。白丸は電気機械結合係数、黒丸は温度係数を示す。図９に示すように、面積比Ａ１／Ａ０を０から１に変化させることにより、電気機械結合係数と周波数温度係数とを変化させることができる。

実施例１によれば、共振領域５０における絶縁膜２８の面積は、共振領域５０の面積とは異なる。これにより、図９のように、面積比Ａ１／Ａ０を任意に設定することができる。よって、所望の温度係数と電気機械結合係数とを有する圧電薄膜共振器を作製できる。例えば、同じチップ上に、温度係数と電気機械結合係数とが異なる圧電薄膜共振器を作製する場合、絶縁膜２８の形状を異ならせるだけでよい。よって、製造工程を追加することなく、任意の温度係数と電気機械結合係数とを有する圧電薄膜共振器を同一チップ上に形成することができる。このように、共振器毎に温度特性と共振特性を異ならせることができる。

なお、絶縁膜２８は、下部電極１２または上部電極１６に接して形成されていても温度係数の改善効果はあるもの、その効果は小さい。このため、絶縁膜２８を下部電極１２または上部電極１６に接して形成すると、絶縁膜２８を厚くすることになり、共振特性が劣化する。よって、絶縁膜２８は圧電膜１４に挟まれていることが好ましい。

また、絶縁膜２８は、圧電膜１４の弾性定数の温度係数とは逆符号の弾性定数の温度係数を有することが好ましい。面積比Ａ１／Ａ０が１に近い場合、周波数温度係数を０に近づけることができる。なお、絶縁膜２８と圧電膜１４との温度係数が同符号であっても、共振器毎に温度特性と共振特性を異ならせることができる。

さらに、圧電膜１４は、少なくとも２層であり、絶縁膜２８は少なくとも２層の各圧電膜１４に挟まれていればよい。実施例１のように、圧電膜は２層であり、絶縁膜２８は１層であることにより、少ない製造工程により圧電薄膜共振器を製造できる。

共振領域５０内には、絶縁膜２８または開口２９のパターンが一様に配置されていることが好ましい。よって、共振領域５０内の絶縁膜２８または開口２９のパターンとしては、図３（ａ）から図６（ｄ）のように、複数のドット状パターンが周期的に配置されていることが好ましい。また、面積比Ａ１／Ａ０の変化は、例えば、図３（ａ）から図６（ｄ）のようなパターンにおいて、ドット状パターンの大きさを一様に増減させることにより実現できる。また、ドット状パターンの大きさを一様に変化させる場合、例えば線状パターンの幅は一定とすることができる。

実施例１の変形例について説明する。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例１の変形例１における絶縁膜の断面図を示す図である。図１０（ａ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図、図１０（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、絶縁膜２８は、開口２９の代わりに凹部２７を有してもよい。凹部２７以外が凸部となる。このように、絶縁膜２８に凸部および凹部が形成された場合であっても、共振領域５０の面積と共振領域５０内の凹部２７の面積との面積比を変化させることにより、共振領域５０内の絶縁膜２８の体積を変化させることができる。よって、実施例１と同様に、共振器毎に温度特性と共振特性を異ならせることができる。凹部２７の平面形状は、図３（ａ）から図６（ｄ）と同様の形状とすることができる。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例２および変形例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１１（ａ）に示すように、基板１０の上面に窪みが形成され、窪みにより空隙３０が形成されていてもよい。さらに、空隙３０は、基板を貫通する貫通孔でもよい。図１１（ｂ）に示すように、空隙３０の代わりに音響反射膜３１を用いてもよい。音響反射膜３１は、音響インピーダンスの高い膜と低い膜を弾性波の波長の４分の１の膜厚で交互に積層した膜を用いることができる。これにより、音響反射膜３１は、縦方向の弾性波を反射することができる。

図１２（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）は、図１２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１２（ｂ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１２（ｃ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。図１２（ａ）から図１２（ｃ）に示すように、共振領域５０の外周の少なくとも一部において、下部電極１２と上部電極１６とが対向する領域５２における圧電膜１４ｂの外周５１は、上部電極１６の外周５３より距離ｄ１内側の領域に位置する。また、圧電膜１４ｂの外周５１が上部電極１６の外周５３より内側に形成された領域において、圧電膜１４ａの外周５５は、外周５３より距離ｄ２外側に位置する。絶縁膜２８の外周は圧電膜１４ａの外周５５とほぼ同じである。圧電膜１４を挟み上部電極１６と下部電極１２とが対向する共振領域５０は、領域５２より距離ｄ１分小さくなる。圧電膜１４ａと下部電極１２との重なる領域５４は、領域５２より距離ｄ２分大きくなる。その他の構成は、実施例１の図１（ａ）から図１（ｃ）と同じであり説明を省略する。

実施例２によれば、領域５２における圧電膜１４ｂの外周５１が上部電極１６の外周５３より内側に位置する。これにより、圧電膜１４ｂ内の弾性波が共振領域５０の外側に漏洩することを抑制できる。よって、共振特性を向上できる。少なくとも２層の圧電膜が形成されている場合、領域５２における少なくとも２層の圧電膜１４ａおよび１４ｂのうち最上の圧電膜１４ｂの外周５１が上部電極１６の外周５３より内側に位置すればよい。

また、圧電膜１４ｂの外周５１が上部電極１６の外周５３の内側に形成された上部電極１６の外周５３の領域において、圧電膜１４ａの外周５５は、上部電極１６の外周５３より外側に位置する。これにより、圧電膜１４ａの外周５５が上部電極１６の外周５３より内側に位置する場合に比べ積層膜１８の強度を確保できる。なお、少なくとも２層の圧電膜が形成されている場合、少なくとも２層の圧電膜１４ａおよび１４ｂのうち最下の圧電膜１４ａの外周が上部電極１６の外周５３より外側に位置すればよい。

なお、空隙３０または音響反射膜３１（実施例１の変形例３のように空隙３０の代わりに音響反射膜３１を用いた場合）の外周は、上部電極１６の外周５３より外側に位置することが好ましい。

また、下部電極１２の下に空隙３０が設けられている場合に、圧電膜１４ｂの外周５１が上部電極１６の外周５３より内側に形成された領域において、空隙３０の外周は、上部電極１６の外周５３より外側に位置し、かつ圧電膜１４ａの外周５５の内側に位置することが好ましい。このように、外周５１を外周５３より内側に設けることにより、共振特性を向上させることができる。さらに、空隙３０が設けられる場合、積層膜１８の強度が小さくなりやすいが、空隙３０の外周より外周５５が外側に位置することにより、積層膜１８の強度を大きくすることができる。

実施例２においては、圧電膜１４ａの外周５５と絶縁膜２８の外周とがほぼ一致するが、絶縁膜２８の外周は圧電膜１４ｂの外周５１とほぼ一致してもよい。また、絶縁膜２８の外周は、圧電膜１４ｂの外周５１と圧電膜１４ａの外周５５との間に位置してもよい。

実施例２において、圧電膜１４ａおよび１４ｂの外周５５および５１の端部は、圧電膜１４ａおよび１４ｂの膜厚方向に平行であるが、外周５５および５１の端部は圧電膜１４ａおよび１４ｂの膜厚方向に斜めでもよい。この場合、圧電膜１４ｂの外周５１の端部の最も内側が上部電極１６の外周５３の端部より内側に位置すればよい。特に、圧電膜１４ｂの外周５１の端部が上部電極１６に接する位置が上部電極１６の外周５３の端部より内側にあることが好ましい。

実施例３は、フィルタのように、基板上に複数の圧電薄膜共振器が形成されれた例である。図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１３（ａ）から図１３（ｃ）においては、基板１０上に２つの共振器が形成されている。基板１０に窪みが設けられ、窪みが空隙３０として機能する。基板１０上に空隙３０を介し、下部電極１２、圧電膜１４ａ、絶縁膜２８、圧電膜１４ｂおよび上部電極１６が形成されている。圧電膜１４を挟み上部電極１６と下部電極１２とが対向する共振領域５０が２つ設けられている。

図１３（ａ）の例においては、共振領域５０間には圧電膜１４ａが連続して形成され、絶縁膜２８は形成されていない。図１３（ｂ）の例においては、共振領域５０間には圧電膜１４ａおよび絶縁膜２８が連続して形成されている。図１３（ｃ）の例においては、共振領域５０間には圧電膜１４ａは連続して形成されておらず、絶縁膜２８が連続して形成されている。

実施例３のように、基板１０に複数の共振器が形成された場合、複数の共振器の下部電極１２は互いに接続され、接続された下部電極１２上には、圧電膜１４ａ（最下の圧電膜）および絶縁膜２８（最下の圧電膜上の絶縁膜）の少なくとも一方が互いに接続されるように形成することもできる。これにより、共振器同士を接近して形成でき、チップの小型化が可能となる。空隙３０の外周部は、下部電極１２と、圧電膜１４ａおよび絶縁膜２８の少なくとも一方が形成されており、積層膜１８の強度を大きくすることができる。

さらに、接続された下部電極１２上には、絶縁膜２８が互いに接続されるように形成されていることが好ましい。これにより、静電気破壊耐性を向上させることができる。

図１４は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１４のように、上部電極１６が形成されている領域のうち下部電極１２が形成されていない領域の少なくとも一部の領域内の上部電極１６と基板１０との間には絶縁膜２８が形成されていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。絶縁膜２８が形成されていない領域の上部電極１６上にバンプを形成し、フリップチップボンディングする場合、またはボンディングワイヤを接続する場合、絶縁膜２８と圧電膜１４とが剥離することを抑制できる。

実施例５は、弾性波デバイスとして、実施例１から実施例４に係る共振器をフィルタに用いた例である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、実施例５に係るフィルタを示す回路図である。図１５（ａ）は、ラダー型フィルタ、図１５（ｂ）は、ラティス型フィルタを示している図１５（ａ）に示すように、ラダー型フィルタ１００は、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４および並列共振器Ｐ１〜Ｐ３を備えている。直列共振器Ｓ１〜Ｓ４は、入出力端子Ｔ１とＴ２との間に直列に接続されている。並列共振器Ｐ１〜Ｐ３は、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に並列に接続されている。

図１１（ｂ）に示すように、ラティス型フィルタ１０２は、直列共振器Ｓ５およびＳ６、および並列共振器Ｐ４およびＰ５を備えている。端子Ｔ３とＴ５の間に直列共振器Ｓ５が接続され、端子Ｔ４とＴ６との間に直列共振器Ｓ６が接続されている。端子Ｔ３とＴ６の間に並列共振器Ｐ４が接続され、端子Ｔ４とＴ５との間に並列共振器Ｐ５が接続されている。

実施例５のフィルタの共振器の少なくとも１つに実施例１から実施例４の共振器を用いることができる。

実施例５のように、複数の圧電薄膜共振器を含む弾性波デバイスにおいて、少なくとも２つの圧電薄膜共振器の共振領域５０に対する共振領域５０における絶縁膜２８の面積比Ａ１／Ａ０を互いに異ならせることができる。または、共振領域５０に対する共振領域５０における凹部２７の面積比Ａ１／Ａ０を互いに異ならせることができる。これにより、任意の温度係数と電気機械結合係数とを有する圧電薄膜共振器を同一チップ上に形成することができる。

ラダー型フィルタおよびラティス型フィルタはバンドパスフィルタとして機能する。通過帯域の低周波数側のスカート特性は主に並列共振器により形成され、通過帯域の高周波数側のスタート特性は主に直列共振器により形成される。そこで、直列共振器のうち少なくとも１つの共振器の面積比Ａ１／Ａ０と並列共振器のうち少なくとも１つの共振器の面積比Ａ１／Ａ０とを異ならせる。これにより、直列共振器と並列共振器とで、温度係数および電気機械結合係数を異ならせることができる。よって、低周波数側と高周波数側のスカート特性を所望の特性に設定することができる。また、全ての直列共振器の面積比Ａ１／Ａ０と全ての並列共振器の面積比Ａ１／Ａ０とを異ならせる。これにより、直列共振器と並列共振器とで、温度係数および電気機械結合係数をより異ならせることができる。例えば、直列共振器の面積比は全て同じであり、並列共振器の面積比は全て同じであり、直列共振器と並列共振器とで面積比を異ならせてもよい。

例えば、共通端子と第１端子との間に第１フィルタが接続され、共通端子と第２端子との間に第２フィルタが接続された分波器の例を説明する。この分波器は、第１フィルタと第２フィルタとの通過帯域が重ならず、かつ近接している。この分波器においては、第１フィルタと第２フィルタとの通過帯域の間のガードバンド側のスカート特性を形成する直列共振器または／および並列共振器においては、温度変化が小さいことが好ましい。一方、通過帯域を広帯域化する観点から、ガードバンド側とは反対側のスカート特性を形成する直列共振器または／および並列共振器においては、電気機械結合係数が大きいことが好ましい。よって、例えばガードバンド側のスカート特性を形成する共振器の面積比Ａ１／Ａ０をガードバンド側と反対側のスカート特性を形成する共振器の他方の面積比Ａ１／Ａ０より大きくする。これにより、ガードバンド側のスカート特性の温度変化を小さくし、かつ通過帯域を広帯域化できる。

さらに、直列共振器と並列共振器との少なくとも一方の複数の共振器内の少なくとも１つの共振器は、前記少なくとも一方の複数の共振器内の他の共振器と面積比を異ならせることもできる。これにより、低周波数側および高周波数側の少なくとも一方のスカート特性を所望の特性とすることができる。また、直列共振器と並列共振器との少なくとも一方の複数の共振器は互いに面積比を異ならせることもできる。これにより、低周波数側および高周波数側の少なくとも一方のスカート特性をより所望の特性とすることができる。

実施例６は、移動体通信用ＲＦ（Radio Frequency）モジュールの例である。図１６は、実施例６に係るモジュールのブロック図である。図１６のように、モジュール７０は、分波器６２とパワーアンプ６４を備えている。分波器６２は、受信用フィルタ６２ａおよび送信用フィルタ６２ｂを備えている。受信用フィルタ６２ａはアンテナ端子６１と受信端子６３ａ、６３ｂとの間に接続されている。受信用フィルタ６２ａは、アンテナ端子６１から入力した信号のうち受信帯域の信号を通過させ他の信号を抑圧する。受信帯域の信号は受信端子６３ａおよび６３ｂから出力される。受信端子６３ａおよび６３ｂからは平衡信号が出力される。送信用フィルタ６２ｂはパワーアンプ６４とアンテナ端子６１との間に接続されている。送信用フィルタ６２ｂは、パワーアンプ６４から入力した信号のうち送信帯域の信号を通過させ他の信号を抑圧する。送信帯域の信号はアンテナ端子６１から出力される。パワーアンプ６４は、送信端子６５から入力した信号を増幅し、送信用フィルタ６２ｂに出力する。受信用フィルタ６２ａおよび６２ｂのうち少なくとも一方が実施例５のフィルタを含むことができる。

受信用フィルタ６２ａは、弾性表面波縦結合二重モードフィルタで構成すれば、電極指の配置の変更だけで位相を１８０°異ならせた出力を得ることができ、容易に平衡出力を得ることができる。分波器６２は、受信用フィルタ６２ａに弾性表面波フィルタからなる二重モードフィルタを用い、送信用フィルタ６２ｂに実施例１から４の圧電薄膜共振器をラダー型に接続したフィルタを用いれば、受信側に平衡出力が得られ、送信側に高耐電力のフィルタが実現できる。

実施例６においては、ＲＦモジュールを例に説明したが、その他のモジュールに実施例１から５の弾性波デバイスを用いてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかか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。

１０基板
１２下部電極
１４圧電膜
１４ａ圧電膜（最下の圧電膜）
１４ｂ圧電膜（最上の圧電膜）
１６上部電極
２７凹部
２８絶縁膜
２９開口
３０空隙
３１多層反射膜
５０共振領域
５２、５４領域
５１、５５圧電膜の外周
５３上部電極の外周

Claims

基板と、
前記基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成され、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、またはチタン酸鉛を主に含む少なくとも２層の圧電膜と、
前記少なくとも２層の圧電膜に挟まれ、酸化シリコンまたは窒化シリコンを主に含み、前記少なくとも２層の圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の弾性定数の温度係数を有する絶縁膜と、
前記少なくとも２層の圧電膜上に形成された上部電極と、
を備え、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域における前記絶縁膜の面積は前記共振領域の面積とは異なる圧電薄膜共振器を具備することを特徴とすることを特徴とする弾性波デバイス。
基板と、
前記基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成され、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、またはチタン酸鉛を主に含む少なくとも２層の圧電膜と、
前記少なくとも２層の圧電膜に挟まれ、酸化シリコンまたは窒化シリコンを主に含み、前記少なくとも２層の圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の弾性定数の温度係数を有する絶縁膜と、
前記少なくとも２層の圧電膜上に形成された上部電極と、
を備え、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域内の前記絶縁膜は凹部および凸部を有する圧電薄膜共振器を具備することを特徴とする弾性波デバイス。
前記少なくとも２層の圧電膜は２層であり、前記絶縁膜は１層であることを特徴とする請求項１または２記載の弾性波デバイス。
前記共振領域に対する前記共振領域における前記絶縁膜の面積比が互いに異なる複数の前記圧電薄膜共振器を具備することを特徴とする請求項１記載の弾性波デバイス。
前記共振領域に対する前記共振領域における前記凹部の面積比が互いに異なる複数の前記圧電薄膜共振器を具備することを特徴とする請求項２記載の弾性波デバイス。
前記複数の圧電薄膜共振器は、フィルタの直列共振器と並列共振器を含み、
前記直列共振器のうち少なくとも１つの共振器の前記面積比と前記並列共振器のうち少なくとも１つの共振器の前記面積比とは異なることを特徴とする請求項４または５記載の弾性波デバイス。
前記複数の圧電薄膜共振器は、フィルタの直列共振器と並列共振器を含み、
前記直列共振器と前記並列共振器との少なくとも一方の複数の共振器内の少なくとも１つの共振器は、前記少なくとも一方の複数の共振器内の他の共振器と前記面積比が異なることを特徴とする請求項４または５記載の弾性波デバイス。
前記共振領域における前記少なくとも２層の圧電膜のうち最上の圧電膜の外周の少なくとも一部は、前記上部電極の外周より内側に位置することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
前記下部電極の下に空隙または音響反射膜が設けられ、
前記最上の圧電膜の外周が前記上部電極の外周より内側に形成された領域において、前記空隙または音響反射膜の外周は、前記上部電極の外周より外側に位置することを特徴とする請求項８記載の弾性波デバイス。
前記下部電極の下に空隙が設けられ、
前記最上の圧電膜の外周が前記上部電極の外周より内側に形成された領域において、前記空隙の外周は、前記上部電極の外周より外側に位置し、かつ前記少なくとも２層の圧電膜のうち最下の圧電膜の外周の内側に位置することを特徴とする請求項８記載の弾性波デバイス。
前記少なくとも２層の圧電膜は主に窒化アルミニウムを含み、前記絶縁膜は主に酸化シリコンを含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の弾性波デバイス。