JP6185292B2 - 弾性波デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、弾性波デバイスに関し、例えば圧電膜を挟む下部電極及び上部電極を備える弾性波デバイスに関する。
携帯電話をはじめとする無線機器等のフィルタ及びデュプレクサに、バルク波（ＢＡＷ：Bulk Acoustic Wave）を利用した圧電薄膜共振器が用いられている。圧電薄膜共振器は、下部電極と上部電極とが圧電膜を挟んで対向する構造をしている。下部電極と上部電極とが圧電膜を挟んで対向する領域が共振領域である。圧電薄膜共振器の圧電膜は、一般的に、弾性定数の温度係数が負である。したがって、圧電薄膜共振器の共振周波数は、温度上昇と共に低周波数側にシフトする。このように、圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスでは、共振周波数、反共振周波数、及び通過帯域等が温度により変化する。
周波数の温度変化を抑制するために、圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する絶縁膜を温度補償膜として用いる圧電薄膜共振器が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。温度補償膜を用いることによる電気機械結合係数の低下を抑制するために、温度補償膜の上下面に短絡させた導電膜を設けた圧電薄膜共振器、下部電極又は上部電極内に温度補償膜を埋め込んだ圧電薄膜共振器が提案されている（例えば、特許文献５〜７参照）。また、共振領域における電極の周辺部が中央部より薄い場合、共振特性が劣化することが知られている（例えば、特許文献８参照）。
周波数の温度変化を抑制するために、圧電膜内に温度補償膜を設けた場合、電気機械結合係数が低下してしまう。下部電極又は上部電極内に温度補償膜を埋め込んだ場合、温度補償膜の上下面の電極同士を短絡させるため、共振領域における下部電極又は上部電極の周辺部が中央部より薄くなってしまい、特許文献８に記載されているように、共振特性が劣化してしまう。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、良好な共振特性を得ることを目的とする。
本発明は、基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記下部電極と前記上部電極とが前記圧電膜を挟んで対向する共振領域内で前記下部電極の前記圧電膜に対して反対側の面に設けられ、前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する温度補償膜と、前記共振領域内で前記温度補償膜の前記圧電膜に対して反対側の面に設けられ、前記温度補償膜よりも高い音響インピーダンスを有する付加膜と、を備え、前記共振領域において前記付加膜の下に空隙が設けられている、弾性波デバイスである。本発明によれば、良好な共振特性を得ることができる。
上記構成において、前記温度補償膜は絶縁膜からなり、前記付加膜は金属膜からなり、前記付加膜と前記下部電極は接していない構成とすることができる。
本発明は、基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記下部電極と前記上部電極とが前記圧電膜を挟んで対向する共振領域内で前記上部電極の前記圧電膜に対して反対側の面に設けられ、前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する絶縁膜からなる温度補償膜と、前記共振領域内で前記温度補償膜の前記圧電膜に対して反対側の面に設けられ、前記温度補償膜よりも高い音響インピーダンスを有する金属膜からなる付加膜と、を備え、前記付加膜と前記上部電極とは接していない、弾性波デバイスである。
上記構成において、前記下部電極および前記上部電極のうちの前記付加膜が設けられた側の電極の単位面積当たりの質量は、前記付加膜の単位面積当たりの質量よりも重い構成とすることができる。また、上記構成において、前記付加膜は、前記下部電極および前記上部電極と同じ材料を含む構成とすることができる。また、上記構成において、前記下部電極および前記上部電極のうちの前記付加膜が設けられた側の電極は、前記付加膜よりも厚い構成とすることができる。
上記構成において、前記付加膜は、絶縁材料からなる構成とすることができる。
上記構成において、前記温度補償膜および前記付加膜は、前記共振領域の全体を覆って設けられている構成とすることができる。
上記構成において、前記温度補償膜は、前記共振領域から前記圧電膜の下面を覆うように延在している構成とすることができる。
上記構成において、前記温度補償膜は、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸化ゲルマニウムを主成分とする絶縁膜である構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とする構成とすることができる。
上記構成において、前記共振領域において前記下部電極の下に空隙が設けられている構成とすることができる。
上記構成において、前記共振領域において前記下部電極の下に前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜が設けられている構成とすることができる。
本発明によれば、良好な共振特性を得ることができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
実施例１は、フィルタ等の弾性波デバイスに用いられるＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）構造の圧電薄膜共振器について説明する。図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器を示す上面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図、図１（ｃ）は、共振領域を拡大した断面模式図である。図１（ａ）から図１（ｃ）のように、例えばシリコン（Ｓｉ）基板からなる基板１０上に、基板１０の上面との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されるように付加膜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の高さが低く、空隙３０の中央ほど空隙３０の高さが高くなるような形状の膨らみである。
付加膜１２上に、温度補償膜１４が設けられている。温度補償膜１４上に、下部電極１６が設けられている。付加膜１２、温度補償膜１４、及び下部電極１６は、同一形状をしている。付加膜１２は、温度補償膜１４よりも高い音響インピーダンスを有する。付加膜１２は、例えば基板１０側からクロム（Ｃｒ）膜とルテニウム（Ｒｕ）膜とが積層された金属膜である。温度補償膜１４は、後述する圧電膜１８の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する。温度補償膜１４は、例えばフッ素が添加された酸化シリコン（ＳｉＯＦ）膜である。下部電極１６は、例えばＲｕ膜である。付加膜１２と下部電極１６とは、その間に温度補償膜１４が介在しており、互いに接していないため短絡していない。このように、付加膜１２は、弾性波の励振に対して電気的に寄与する膜ではない。
下部電極１６及び基板１０上に、（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電膜１８が設けられている。下部電極１６と対向する領域（共振領域３２）を有するように、圧電膜１８上に上部電極２０が設けられている。共振領域３２は、楕円形状を有し、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２０は、例えば圧電膜１８側からＲｕ膜とＣｒ膜とが積層された金属膜である。
付加膜１２、温度補償膜１４、及び下部電極１６の積層部には、犠牲層をエッチングするための導入路３４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３４の先端付近は圧電膜１８で覆われておらず、上記積層部は導入路３４の先端に孔部３６を有する。圧電膜１８には、下部電極１６と電気的に接続するための開口３８が設けられている。開口３８の底の下部電極１６に、外部接続用の金（Ａｕ）等のバンプ用下地膜が設けられていてもよい。
基板１０として、Ｓｉ基板以外に、石英基板、ガラス基板、セラミック基板、又はガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板等を用いてもよい。下部電極１６及び上部電極２０としては、Ｒｕ及びＣｒ以外にも、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、又はイリジウム（Ｉｒ）等の単層膜又はこれらの積層膜を用いてもよい。
圧電膜１８は、ＡｌＮ以外にも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、又はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）等を用いてもよい。また、圧電膜１８は、ＡｌＮを主成分とし、共振特性の向上又は圧電性の向上のために他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素にスカンジウム（Ｓｃ）を用いることで、圧電膜１８の圧電性を向上でき、圧電薄膜共振器の実効的電気機械結合係数を向上できる。
温度補償膜１４の弾性定数は、温度特性の改善のために、圧電膜１８の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数を有する。例えば、圧電膜１８がＡｌＮからなる場合、弾性定数の温度係数は負である。よって、温度補償膜１４としては、弾性定数の温度係数が正である材料、例えばＳｉＯＦ膜を用いる。ＳｉＯＦ以外にも、弾性定数の温度係数が正である材料を用いることができ、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、又は酸化ゲルマニウム膜等の絶縁膜を用いてもよい。これらの膜は、化学量論的な組成でなくてもよい。また、温度補償膜１４は、ＳｉＯＦ膜のように、酸化シリコン、窒化シリコン、又は酸化ゲルマニウムを主成分する絶縁膜とし、共振特性の向上又は温度特性の改善のため、他の元素を含んでもよい。例えば、温度補償膜１４は、酸化シリコンを主成分とし、フッ素（Ｆ）、水素（Ｈ）、ＣＨ３、ＣＨ２、塩素（Ｃｌ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、及び硫黄（Ｓ）のうちの少なくとも１つ又は２つ以上の元素が添加されていてもよい。このように、温度補償膜１４に他の元素が添加された酸化シリコン膜を用いることで、温度補償膜１４の弾性定数の温度係数を大きくすることができ、温度補償膜１４の膜厚を薄くすることができる。
付加膜１２は、温度補償膜１４よりも高い音響インピーダンスを有する。例えば、温度補償膜１４がＳｉＯＦ膜からなる場合、付加膜１２としては、Ｒｕ膜、Ｃｒ膜、ＲｕとＣｒの積層膜、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜、又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜等を用いることができる。このように、付加膜１２は、下部電極１６、上部電極２０、又は圧電膜１８に含まれる材料と同じ材料を選択してもよい。
図２（ａ）から図３（ｃ）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模式図である。なお、図１（ａ）から図１（ｃ）の圧電薄膜共振器の製造のためには、犠牲層を用いて空隙３０を形成するが、以下の説明では、付加膜１２、温度補償膜１４、下部電極１６、圧電膜１８、及び上部電極２０の形成方法について説明し、その他の説明は省略する。
図２（ａ）のように、基板１０上に付加膜１２を成膜する。付加膜１２の成膜は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いることができる。図２（ｂ）のように、付加膜１２上に温度補償膜１４を成膜する。温度補償膜１４の成膜は、例えばスパッタリング法又はＣＶＤ法を用いることができる。図２（ｃ）のように、温度補償膜１４上に下部電極１６を成膜する。下部電極１６の成膜は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用いることができる。
図２（ｄ）のように、付加膜１２、温度補償膜１４、及び下部電極１６を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、所望の形状に一体加工でパターニングする。このように、付加膜１２、温度補償膜１４、及び下部電極１６を一体加工することで、製造工程を簡略化でき、それぞれは同じ形状となる。
図３（ａ）のように、下部電極１６及び基板１０上に圧電膜１８を成膜する。圧電膜１８の成膜は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法を用いることができる。図３（ｂ）のように、圧電膜１８上に上部電極２０を成膜する。上部電極２０の成膜は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法を用いることができる。その後、上部電極２０を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、所望の形状にパターニングする。これにより、下部電極１６と上部電極２０とが重なる共振領域３２が形成される。
図３（ｃ）のように、例えばフォトレジスト（不図示）をエッチング用マスクとして、圧電膜１８をエッチングする。これにより、下部電極１６と電気的に接続するための開口３８が形成される。なお、フォトレジストの代わりに、上部電極２０をエッチング用マスクに用いてもよい。圧電膜１８のエッチングは、ウエットエッチング法又はドライエッチング法を用いることができる。圧電膜１８がＡｌＮからなる場合、圧電膜１８のエッチングは、例えばリン酸を含む溶液をエッチング液として用いることができる。
実施例１の圧電薄膜共振器を作製し、周波数の温度依存性を測定した。作製した圧電薄膜共振器の付加膜１２は、基板１０側から膜厚１００ｎｍのＣｒ膜と膜厚３０ｎｍのＲｕ膜とが積層された金属膜とした。温度補償膜１４は、膜厚１３５ｎｍで、Ｆ濃度が９ａｔｍ％のＳｉＯＦ膜とした。下部電極１６は、膜厚１３０ｎｍのＲｕ膜とした。圧電膜１８は、膜厚１．２μｍのＡｌＮ膜とした。上部電極２０は、圧電膜１８側から膜厚２１０ｎｍのＲｕ膜と膜厚４０ｎｍのＣｒ膜とが積層された金属膜とした。また、比較のために、温度補償膜１４を形成せず、その他の構成は実施例１と同じにした比較例１の圧電薄膜共振器も作製し、周波数の温度依存性を測定した。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、比較例１及び実施例１の圧電薄膜共振器の共振周波数及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、圧電薄膜共振器の反射特性Ｓ１１を測定することにより求めた。反共振周波数ｆａは、圧電薄膜共振器の通過特性Ｓ２１を測定することにより求めた。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、圧電薄膜共振器のＳ１１及びＳ２１を−３５℃から８５℃まで２０℃間隔で測定した結果である。
図４（ａ）のように、比較例１の圧電薄膜共振器の共振周波数ｆｒの温度係数は、−２７．３ｐｐｍ／℃であり、反共振周波数ｆａの温度係数は、−３２．１ｐｐｍ／℃であった。一方、図４（ｂ）のように実施例１の圧電薄膜共振器の共振周波数ｆｒの温度係数は、−１１．６ｐｐｍ／℃であり、反共振周波数ｆａの温度係数は、−１０．５ｐｐｍ／℃であった。このように、実施例１は、比較例１に対して、温度係数が約２０ｐｐｍ／℃改善した結果が得られた。実施例１で周波数の温度係数が小さくなるのは、圧電膜１８の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する温度補償膜１４を設けているためである。このように、下部電極１６の圧電膜１８に対して反対側の面に温度補償膜１４を設けることで、共振周波数及び反共振周波数の温度依存性を低減できる。
次に、実施例１の圧電薄膜共振器の共振周波数のＱ値、反共振周波数のＱ値、及び電気機械結合係数を測定したシミュレーションについて説明する。シミュレーションに用いた圧電薄膜共振器の各層の材料及び膜厚を表１に示す。また、比較のために、付加膜１２を設けない比較例２の圧電薄膜共振器に対してもシミュレーションを行った。なお、シミュレーションを行ったサンプル１〜３は、同じ温度特性（共振周波数の温度係数が約−１０ｐｐｍ／℃）となるように、付加膜１２、温度補償膜１４、及び下部電極１６の膜厚を調整した。また、上部電極２０上に保護膜を設けた構成とした。
図５（ａ）は、共振周波数のＱ値のシミュレーション結果、図５（ｂ）は、反共振周波数のＱ値のシミュレーション結果、図５（ｃ）は、電気機械結合係数のシミュレーション結果である。図５（ａ）及び図５（ｂ）のように、付加膜１２を設けたサンプル１及びサンプル２（実施例１）は、付加膜１２を設けていないサンプル３（比較例２）に対して、共振周波数及び反共振周波数のＱ値が良好な結果が得られた。このように、付加膜１２を設けることで良好なＱ値が得られた理由は以下のように考えられる。
即ち、付加膜１２が設けられていない場合、弾性波エネルギーは、温度補償膜１４と保護膜（不図示）との間に閉じ込められ、その強度は、温度補償膜１４及び保護膜（不図示）に向かうに連れて弱くなる。したがって、温度補償膜１４は、弾性波エネルギーが小さい部分に設けられることになり、温度特性を改善するためには、表１のように、温度補償膜１４を厚くすることになる。一方、付加膜１２が設けられている場合は、弾性波エネルギーは、付加膜１２と保護膜（不図示）との間に閉じ込められる。よって、温度補償膜１４は、付加膜１２が設けられていない場合と比べて弾性波エネルギーがより大きい部分に設けられ、表１のように、温度特性を改善するための温度補償膜１４の厚さを薄くすることができる。このように、付加膜１２を設けることで、温度特性を改善するための温度補償膜１４の厚さを薄くでき、その結果、サンプル１及びサンプル２（実施例１）は、共振周波数及び反共振周波数のＱ値が改善したものと考えられる。また、上述したように、圧電膜内に温度補償膜を設けた場合、電気機械結合係数の低下が生じてしまうが、サンプル１及びサンプル２（実施例１）では、下部電極１６の下側に温度補償膜１４を設けているため、図５（ｃ）のように、良好な電気機械結合係数が得られている。
また、図５（ａ）から図５（ｃ）のように、付加膜１２にＲｕ膜を用いた場合（サンプル１）でも、ＡｌＮ膜を用いた場合（サンプル２）でも、単位面積当たりの質量を同じにすることで、同等のＱ値及び電気機械結合係数が得られた。
次に、実施例１の圧電薄膜共振器を作製し、共振周波数のＱ値、反共振周波数のＱ値、及び電気機械結合係数を測定した。作製した圧電薄膜共振器の各層の材料及び膜厚を表２に示す。なお、作製したサンプル４、５は、同じ温度特性（共振周波数の温度係数が約−１０ｐｐｍ／℃）となるように、付加膜１２、温度補償膜１４、及び下部電極１６の膜厚を調整した。また、上部電極２０上に保護膜を設けた。
図６（ａ）は、共振周波数のＱ値の測定結果、図６（ｂ）は、反共振周波数のＱ値の測定結果、図６（ｃ）は、電気機械結合係数の測定結果である。図６（ａ）から図６（ｃ）のように、サンプル４及びサンプル５（実施例１）は、共振周波数のＱ値、反共振周波数のＱ値、及び電気機械結合係数が良好な結果が得られた。また、サンプル５は、サンプル４に対して、反共振周波数のＱ値が改善している。これは、サンプル４は、付加膜１２にＣｒ膜だけを用いているのに対し、サンプル５は、付加膜１２にＣｒよりも音響インピーダンスの高いＲｕ膜をさらに設け且つ下部電極１６を薄くしている。これにより、サンプル５は、サンプル４と比べて、温度補償膜１４が圧電膜１８に近づくため、同じ温度特性を得るための温度補償膜１４の膜厚を薄くでき、その結果、反共振周波数のＱ値が改善したものと考えられる。このように、付加膜１２に音響インピーダンスの高い膜を用い且つ下部電極１６を薄くすることで、温度補償膜１４を薄くでき、その結果、共振特性を改善することができる。
以上説明してきたように、実施例１によれば、下部電極１６の圧電膜１８に対して反対の面に、圧電膜１８の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する温度補償膜１４が設けられている。これにより、図４（ａ）及び図４（ｂ）のように、周波数の温度依存性を低減できる。また、温度補償膜１４の圧電膜１８に対して反対の面に、温度補償膜１４よりも高い音響インピーダンスを有する付加膜１２が設けられている。これにより、図５（ａ）から図６（ｃ）のように、良好な共振特性を得ることができる。
表１及び図５（ａ）から図５（ｃ）のように、付加膜１２は、金属からなる場合でも、絶縁材料からなる場合でも、良好な共振特性を得ることができる。付加膜１２が金属からなる場合、下部電極１６及び上部電極２０と同じ材料を含む構成としてもよい。また、付加膜１２が絶縁材料からなる場合、圧電膜１８と同じ材料を含む構成としてもよい。
図１（ａ）から図１（ｃ）のように、周波数の温度依存性を低減する観点から、温度補償膜１４及び付加膜１２は、共振領域３２を覆って設けられていることが好ましい。例えば、温度補償膜１４及び付加膜１２は、共振領域３２の全体を覆って設けられていることが好ましい。また、温度補償膜１４及び付加膜１２が共振領域３２を覆って設けられていることで、共振領域３２における膜の厚みを均一にすることができる。このため、特許文献８に記載されているような共振特性の劣化を抑制することができる。
実施例２は、付加膜１２及び温度補償膜１４が、上部電極２０側に設けられた場合の例である。図７（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器を示す上面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ間の断面図、図７（ｃ）は、共振領域を拡大した断面模式図である。図７（ａ）から図７（ｃ）のように、上部電極２０上に温度補償膜１４が設けられ、温度補償膜１４上に付加膜１２が設けられている。上部電極２０と付加膜１２とは短絡してなく、付加膜１２は、弾性波の励振に対して電気的に寄与しない。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。
図８（ａ）から図９（ｃ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面模式図である。なお、実施例１と同様に、付加膜１２、温度補償膜１４、下部電極１６、圧電膜１８、及び上部電極２０の形成について説明し、その他の説明は省略する。
図８（ａ）のように、基板１０上に、下部電極１６を成膜する。その後、下部電極１６を、フォトリソグラフ技術及びエッチング技術を用いて、所望の形状にパターニングする。図８（ｂ）のように、下部電極１６及び基板１０上に、圧電膜１８を成膜する。図８（ｃ）のように、圧電膜１８上に、上部電極２０を成膜する。図８（ｄ）のように、上部電極２０上に、温度補償膜１４を成膜する。
図９（ａ）のように、温度補償膜１４上に、付加膜１２を成膜する。図９（ｂ）のように、付加膜１２、温度補償膜１４、及び上部電極２０を、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、所望の形状に一体加工でパターニングする。これにより、下部電極１６と上部電極２０とが重なる共振領域３２が形成される。図９（ｃ）のように、例えばフォトレジスト（不図示）をエッチング用マスクとして、圧電膜１８をエッチングする。これにより、下部電極１６と電気的に接続するための開口３８が形成される。なお、付加膜１２をエッチング用マスクに用いてもよい。
実施例２の圧電薄膜共振器を作製し、共振周波数のＱ値、反共振周波数のＱ値、及び電気機械結合係数を測定した。作製した圧電薄膜共振器の各層の材料及び膜厚を表３に示す。なお、作製したサンプル６、７は、同じ温度特性（共振周波数の温度係数が約−１５ｐｐｍ／℃）となるように、付加膜１２、温度補償膜１４、及び上部電極２０の膜厚を調整した。また、付加膜１２上に保護膜を設けた。
図１０（ａ）は、共振周波数のＱ値の測定結果、図１０（ｂ）は、反共振周波数のＱ値の測定結果、図１０（ｃ）は、電気機械結合係数の測定結果である。図１０（ａ）から図１０（ｃ）のように、反共振周波数のＱ値及び電気機械結合係数は、サンプル６、７共に同程度の良好な結果が得られているのに対し、共振周波数のＱ値は、サンプル６では、サンプル７と比べて低下した結果となった。サンプル６のように、上部電極２０を薄くして温度補償膜１４を圧電膜１８に近づけることで、サンプル７と同じ温度特性を得るための温度保障膜１４を薄くできる。しかしながら、上部電極２０が薄くなりすぎると、弾性波の励振において抵抗による電気的ロスが大きくなり、共振周波数のＱ値が低下することが分かった。したがって、上部電極２０と付加膜１２とが同じ材料を含んでいる場合、共振特性を改善するには、上部電極２０の厚さが付加膜１２よりも厚いことが好ましいことが分かった。また、上部電極２０の質量を１とした場合、付加膜１２の質量比は、サンプル６では約１１、サンプル７では約０．５であった。このことから、付加膜１２が設けられている側の電極（ここでは、上部電極２０）の単位面積当たりの質量を、付加膜１２の単位面積当たりの質量よりも重くすることで、共振特性を改善できることが分かった。
実施例２のように、上部電極２０の圧電膜１８に対して反対の面に温度補償膜１４が設けられ、温度補償膜１４の圧電膜１８に対して反対の面に付加膜１２が設けられていてもよい。このように、下部電極１６及び上部電極２０の少なくとも一方の圧電膜１８に対して反対の面に温度補償膜１４が設けられ、温度補償膜１４の圧電膜１８に対して反対の面に付加膜１２が設けられていればよい。
また、図１０（ａ）から図１０（ｃ）の結果より、付加膜１２が設けられた側の電極（上部電極２０）の単位面積当たりの質量を、付加膜１２の単位面積当たりの質量よりも重くすることが好ましい。これにより、より良好な共振特性を得ることができる。なお、実施例２では、付加膜１２が、上部電極２０と同じ材料を含む金属膜である場合を例に示したが、上部電極２０と異なる金属材料からなる場合や絶縁材料からなる場合でも、この要件を満たすことで、より良好な共振特性を勿論得ることができる。また、付加膜１２が上部電極２０と同じ材料を含む場合には、上部電極２０の厚さを付加膜１２よりも厚くすることが、良好な共振特性を得る点で好ましいことが分かる。
実施例２でも、製造の簡略化のために、付加膜１２、温度補償膜１４、及び上部電極２０は一体加工で形成されているため、これらは同じ形状をしている。つまり、付加膜１２及び温度補償膜１４は、実施例１と同様、共振領域３２を覆って設けられている。
図１１（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器を示す上面図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図、図１１（ｃ）は、共振領域を拡大した断面模式図である。図１１（ａ）から図１１（ｃ）のように、下部電極１６の下面に設けられた温度補償膜１４が、共振領域３２から圧電膜１８の下面を覆うように延在している。例えば、温度補償膜１４は、少なくとも圧電膜１８の下面全体を覆うように延在している。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。なお、付加膜１２は、下部電極１６と同様な形状にパターニングされているが、温度補償膜１４と同様に、圧電膜１８の下面を覆うように延在していてもよい。
図１２（ａ）から図１３（ｄ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面模式図である。実施例１と同様に、付加膜１２、温度補償膜１４、下部電極１６、圧電膜１８、及び上部電極２０の形成について説明し、その他の説明は省略する。
図１２（ａ）のように、基板１０上に、付加膜１２を成膜する。図１２（ｂ）のように、付加膜１２を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、所望の形状にパターニングする。図１２（ｃ）のように、付加膜１２及び基板１０上に、温度補償膜１４を成膜する。図１２（ｄ）のように、温度補償膜１４上に、下部電極１６を成膜する。
図１３（ａ）のように、下部電極１６を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、所望の形状にパターニングする。図１３（ｂ）のように、下部電極１６及び温度補償膜１４上に、圧電膜１８を成膜する。図１３（ｃ）のように、圧電膜１８上に、上部電極２０を成膜する。その後、上部電極２０を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、所望の形状にパターニングする。これにより、下部電極１６と上部電極２０とが重なる共振領域３２が形成される。図１３（ｄ）のように、例えばフォトレジスト（不図示）をエッチング用マスクとして、圧電膜１８をエッチングする。これにより、下部電極１６と電気的に接続するための開口３８が形成される。
実施例３によれば、温度補償膜１４は、下部電極１６の圧電膜１８に対して反対側の面に設けられ、共振領域３２から圧電膜１８の下面を覆うように延在している。これにより、圧電膜１８の下面が温度補償膜１４で保護され、製造工程中又はデバイス完成後に圧電膜１８が受けるダメージを抑制することができ、信頼性を向上させることができる。
実施例４は、空隙の構成を変えた例である。図１４（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器を示す上面図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）のように、基板１０の上面に窪みが形成されている。付加膜１２、温度補償膜１４、及び下部電極１６は、基板１０上にほぼ平坦に形成されている。これにより、基板１０の窪みが、空隙３０として機能する。空隙３０は、共振領域３２に形成されている。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。なお、空隙３０は、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。
実施例５は、空隙の代わりに音響反射膜を設けた例である。図１５（ａ）は、実施例５に係る圧電薄膜共振器を示す上面図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）のように、共振領域３２の付加膜１２の下面に音響反射膜４２が設けられている。音響反射膜４２は、圧電膜１８を伝搬する弾性波を反射する膜であり、音響インピーダンスの低い膜４０ａと音響インピーダンスの高い膜４０ｂとが交互に設けられている。音響インピーダンスの低い膜４０ａと高い膜４０ｂの膜厚は、λ／４（λは弾性波の波長）程度である。音響インピーダンスの低い膜４０ａと高い膜４０ｂの積層数は任意に設定できる。なお、付加膜１２と温度補償膜１４との膜厚は、λ／４よりも十分薄いため、音響反射膜としては機能してない。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。
このように、圧電薄膜共振器は、実施例１から実施例４のように、共振領域３２における下部電極１６下に空隙３０が設けられたＦＢＡＲ構造の場合でもよい。実施例５のように、共振領域３２における下部電極１６下に音響反射膜４２が設けられたＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）構造の場合でもよい。また、実施例４及び実施例５では、実施例１のように、下部電極１６の下面に温度補償膜１４が設けられ、温度補償膜１４の下面に付加膜１２が設けられた場合を例に示したが、実施例２のように、上部電極２０の上面に温度補償膜１４が設けられ、温度補償膜１４の上面に付加膜１２が設けられた場合でもよい。また、実施例３のように、下部電極１６の下面に設けられた温度補償膜１４が、圧電膜１８の下面を覆っていてもよい。
実施例６は、実施例１から実施例５の圧電薄膜共振器をフィルタに用いた例である。図１６は、実施例６に係るラダー型フィルタを示す回路図である。図６のように、ラダー型フィルタは、１又は複数の直列共振器Ｓ１〜Ｓ３、及び、１又は複数の並列共振器Ｐ１〜Ｐ２を備えている。直列共振器Ｓ１〜Ｓ３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〜Ｐ２は、入出力端子Ｔ１とＴ２との間に並列に接続されている。直列共振器Ｓ１〜Ｓ３及び並列共振器Ｐ１〜Ｐ２の少なくとも１つを、実施例１から実施例５に例示した圧電薄膜共振器とすることができる。
直列共振器と並列共振器との間に共振周波数差を設ける場合、例えば上部電極の膜厚を変えることで対応することができる。また、各共振器の共振周波数を個別に調整するための質量負荷膜を設けてもよい。さらに、直列共振器と並列共振器の共振周波数を同時に調整させるための周波数調整膜を、少なくとも共振領域を含む上部電極上に設けてもよい。周波数調整膜は、例えば絶縁層で形成することができる。
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 付加膜
１４ 温度補償膜
１６ 下部電極
１８ 圧電膜
２０ 上部電極
３０ 空隙
３２ 共振領域
４０ａ 音響インピーダンスの低い膜
４０ｂ 音響インピーダンスの高い膜
４２ 音響反射膜
１２ 付加膜
１４ 温度補償膜
１６ 下部電極
１８ 圧電膜
２０ 上部電極
３０ 空隙
３２ 共振領域
４０ａ 音響インピーダンスの低い膜
４０ｂ 音響インピーダンスの高い膜
４２ 音響反射膜
Claims (13)
- 基板上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで対向した下部電極および上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極とが前記圧電膜を挟んで対向する共振領域内で前記下部電極の前記圧電膜に対して反対側の面に設けられ、前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する温度補償膜と、
前記共振領域内で前記温度補償膜の前記圧電膜に対して反対側の面に設けられ、前記温度補償膜よりも高い音響インピーダンスを有する付加膜と、を備え、
前記共振領域において前記付加膜の下に空隙が設けられている、弾性波デバイス。 - 前記温度補償膜は絶縁膜からなり、
前記付加膜は金属膜からなり、
前記付加膜と前記下部電極は接していない、請求項１記載の弾性波デバイス。 - 基板上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで対向した下部電極および上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極とが前記圧電膜を挟んで対向する共振領域内で前記上部電極の前記圧電膜に対して反対側の面に設けられ、前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数の弾性定数を有する絶縁膜からなる温度補償膜と、
前記共振領域内で前記温度補償膜の前記圧電膜に対して反対側の面に設けられ、前記温度補償膜よりも高い音響インピーダンスを有する金属膜からなる付加膜と、を備え、
前記付加膜と前記上部電極とは接していない、弾性波デバイス。 - 前記共振領域において前記下部電極の下に空隙が設けられている、請求項３記載の弾性波デバイス。
- 前記共振領域において前記下部電極の下に前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜が設けられている、請求項３記載の弾性波デバイス。
- 前記下部電極および前記上部電極のうちの前記付加膜が設けられた側の電極の単位面積当たりの質量は、前記付加膜の単位面積当たりの質量よりも重い、請求項１から５のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
- 前記付加膜は、前記下部電極および前記上部電極と同じ材料を含む、請求項１から６のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
- 前記下部電極および前記上部電極のうちの前記付加膜が設けられた側の電極は、前記付加膜よりも厚い、請求項７記載の弾性波デバイス。
- 前記付加膜は、絶縁材料からなる、請求項１記載の弾性波デバイス。
- 前記温度補償膜および前記付加膜は、前記共振領域の全体を覆って設けられている、請求項１から９のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
- 前記温度補償膜は、前記共振領域から前記圧電膜の下面を覆うように延在している、請求項１または２記載の弾性波デバイス。
- 前記温度補償膜は、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸化ゲルマニウムを主成分とする絶縁膜である、請求項１から１１のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
- 前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とする、請求項１から１２のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
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