JP6594619B2 - 圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサ - Google Patents

圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサ Download PDF

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Description

本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサに関し、圧電膜に挿入された挿入膜を有する圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサに関する。
圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば携帯電話等の無線機器のフィルタおよびデュプレクサ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。圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する領域が共振領域である。
無線システムの急速な普及にともない、多くの周波数帯が使用されている。その結果、フィルタやデュプレクサのスカート特性を急峻化する要求が強まっている。スカート特性を急峻化する対策の一つに圧電薄膜共振器のＱ値を高めることがある。
特許文献１には、共振領域の外周領域における圧電膜に挿入膜を挿入することが記載されている。
特開２０１４−１６１００１号公報
特許文献１の圧電薄膜共振器では、共振領域からの弾性波エネルギーの漏洩を抑制し、Ｑ値を向上させることができる。しかしながら、特許文献１では、挿入膜により圧電膜の上面に段差ができる。これにより、Ｑ値等の特性が劣化する。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電薄膜共振器の特性を向上させることを目的とする。
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記圧電膜中に挿入され、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し厚み縦振動モードの弾性波が共振する共振領域内の外周領域の少なくとも一部に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられておらず、前記共振領域の外周に沿って前記中央領域を囲む領域に設けられた挿入膜と、を具備し、前記共振領域内の前記挿入膜が挿入された第１領域における前記圧電膜と前記挿入膜との合計膜厚と、前記挿入膜が挿入されていない第２領域における前記圧電膜の膜厚と、の差は前記挿入膜の膜厚より小さく、前記挿入膜のヤング率は前記圧電膜のヤング率より小さく、前記第１領域における前記圧電膜の上面と前記第２領域における前記圧電膜の上面との間は平坦、または前記第１領域における前記圧電膜の上面と前記第２領域における前記圧電膜との間の段差は挿入膜の膜厚より小さく、前記基板と前記下部電極との間、または前記基板と前記下部電極に接する絶縁膜との間に、平面視において前記共振領域を含むように空隙が形成されている、または、前記下部電極下に、平面視において前記共振領域を含むように、前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備することを特徴とする圧電薄膜共振器である。
上記構成において、前記圧電膜は、下部圧電膜と前記下部圧電膜上に設けられた上部圧電膜とを備え、前記下部圧電膜の上面には、前記第１領域が凹部の底となるように凹部が形成され、前記挿入膜は前記凹部の前記底上に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、前記凹部の深さと前記挿入膜の膜厚との差は前記挿入膜の膜厚より小さい構成とすることができる。
上記構成において、前記第１領域における前記圧電膜と前記挿入膜との合計膜厚と前記第２領域における圧電膜の膜厚は同じである構成とすることができる。
本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むことを特徴とするフィルタである。
本発明は、送信フィルタと受信フィルタとを具備し、前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方は上記フィルタであることを特徴とするデュプレクサである。
本発明によれば、圧電薄膜共振器の特性を向上させることができる。
図１（ａ）は、実施例１に用いられる圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）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の直列共振器の製造方法を示す断面図（その１）である。 図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施例１の直列共振器の製造方法を示す断面図（その２）である。 図４は、実施例１の圧電薄膜共振器の別の製造方法を示す断面図である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施例１、比較例１および比較例２に係る圧電薄膜共振器の共振領域の外周領域周辺の断面図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれシミュレーションに用いた実施例１および比較例１の断面図である。 図７は、実施例１および比較例１における反射特性のスミスチャートである。 図８は、実施例１および比較例１における反射特性を示す図である。 図９（ａ）から図９（ｅ）は、実施例１および比較例１における共振点のＱ値Ｑｒ、反共振点のＱ値Ｑａ、実効的電気機械結合係数ｋ２、ＦＯＭ、周波数における最大のＱ値Ｑｍａｘ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および２に係る圧電薄膜共振器の共振領域の外周領域周辺の断面図である。 図１１（ａ）は、実施例２の圧電薄膜共振器の平面図、図１１（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１１（ｃ）および図１１（ｄ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１２（ａ）は、実施例２の変形例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１２（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１３（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１３（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１４（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１４（ｂ）は、挿入膜および付加膜の平面図、図１４（ｃ）および図１４（ｄ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１５（ａ）は、実施例５に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１５（ｂ）は、挿入膜および開口の平面図、図１５（ｃ）および図１５（ｄ）は、図１５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１６（ａ）は、実施例６の圧電薄膜共振器の断面図、図１６（ｂ）は、実施例１の変形例１の圧電薄膜共振器の断面図である。 図１７は、実施例７に係るデュプレクサの回路図である。 図１８（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
以下図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
図１（ａ）は、実施例１に用いられる圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器を、図１（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器を示している。
図１（ａ）および図１（ｃ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。シリコン（Ｓｉ）基板である基板１０上に、下部電極１２が設けられている。基板１０の平坦主面と下部電極１２との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されている。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の高さが大きくなるような形状の膨らみである。下部電極１２は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａは例えばＣｒ（クロム）膜であり、上層１２ｂは例えばＲｕ（ルテニウム）膜である。
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）を主成分とする圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂを備えている。下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８が設けられている。下部圧電膜１４ａの上面には凹部が形成され、凹部内に挿入膜２８が埋め込まれている。下部圧電膜１４ａの上面と挿入膜２８の上面はほぼ連続した面となっている。
圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域５０）を有するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。共振領域５０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１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａは例えばＲｕ膜であり、上層１６ｂは例えばＣｒ膜である。
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。共振領域５０内の積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜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（ｄ）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、上部電極１６の下層１６ａと上層１６ｂとの間に、Ｔｉ（チタン）層からなる質量負荷膜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（ｃ）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。
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の下層１２ａを膜厚が１００ｎｍのＣｒ膜、上層１２ｂを膜厚が２００ｎｍのＲｕ膜とする。下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂを膜厚がそれぞれ７０５ｎｍおよび５０５ｎｍのＡｌＮ膜とする。挿入膜２８を膜厚が１５０ｎｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜とする。上部電極１６の下層１６ａを膜厚が２３０ｎｍのＲｕ膜、上層１６ｂを膜厚が５０ｎｍのＣｒ膜とする。周波数調整膜２４を膜厚が５０ｎｍの酸化シリコン膜とする。質量負荷膜２０を膜厚が１２０ｎｍのＴｉ膜とする。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。
図１（ｂ）に示すように、挿入膜２８は、共振領域５０内の外周領域５２に設けられ中央領域５４に設けられていない。外周領域５２は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の外周を含み外周に沿った領域である。外周領域５２は、例えば帯状およびリング状である。中央領域５４は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の中央を含む領域である。中央は幾何学的な中心でなくてもよい。挿入膜２８は、外周領域５２から共振領域５０外まで連続して設けられている。挿入膜２８には、孔部３５に対応する孔部３４が設けられている。特許文献１の図３のように、挿入膜２８のヤング率は圧電膜１４より小さいことが好ましい。これにより、Ｑ値を向上できる。また、挿入膜２８を金属膜とすることにより実効的電気機械結合係数を向上できる。さらに、挿入膜２８のヤング率を圧電膜１４より小さくするため、圧電膜１４が窒化アルミニウムを主成分とする場合、挿入膜２８は、Ａｌ膜、Ａｕ（金）膜、Ｃｕ（銅）膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ（白金）膜、Ｔａ（タンタル）膜、Ｃｒ膜または酸化シリコン膜であることが好ましい。特に、ヤング率の観点から挿入膜２８は、Ａｌ膜または酸化シリコン膜であることが好ましい。
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。下部電極１２および上部電極１６としては、ＲｕおよびＣｒ以外にもＡｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ（ロジウム）またはＩｒ（イリジウム）等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。例えば、上部電極１６の下層１６ａをＲｕ、上層１６ｂをＭｏとしてもよい。
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成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素として、Ｓｃ（スカンジウム）、２価の元素と４価の元素との２つの元素、または２価と５価との２つの元素を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上する。このため、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。２価の元素は、例えばＣａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）またはＺｎ（亜鉛）である。４価の元素は、例えばＴｉ、Ｚｒ（ジルコニウム）またはＨｆ（ハフニウム）である。５価の元素は、例えばＴａ、Ｎｂ（ニオブ）またはＶ（バナジウム）である。
周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも窒化シリコン膜または窒化アルミニウム等を用いることができる。質量負荷膜２０としては、Ｔｉ以外にも、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＩｒ等の単層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。質量負荷膜２０は、上部電極１６の層間（下層１６ａと上層１６ｂとの間）以外にも、下部電極１２の下、下部電極１２の層間、上部電極１６の上、下部電極１２と圧電膜１４との間または圧電膜１４と上部電極１６との間に形成することができる。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。
図２（ａ）から図３（ｄ）は、実施例１の直列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（酸化マグネシウム）、ＺｎＯ、Ｇｅ（ゲルマニウム）またはＳｉＯ２（酸化シリコン）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所望の形状にパターニングする。犠牲層３８の形状は、空隙３０の平面形状に相当する形状であり、例えば共振領域５０となる領域を含む。次に、犠牲層３８および基板１０上に下部電極１２として下層１２ａおよび上層１２ｂ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、リフトオフ法により形成してもよい。
図２（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に下部圧電膜１４ａ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。図２（ｃ）に示すように、下部圧電膜１４ａ上にフォトレジスト等のマスク層４４を形成する。挿入膜２８が形成される領域６０には、マスク層４４は形成されておらず、挿入膜２８が形成されない領域６２にマスク層４４が形成されている。図２（ｄ）に示すように、マスク層４４をマスクに下部圧電膜１４ａの上面を、例えばウエットエッチング法またはドライエッチング法を用いエッチングする。これにより、下部圧電膜１４ａの上面に凹部４６が形成される。領域６０は凹部４６の底面となり、領域６２は凸部４７となる。
図３（ａ）に示すように、マスク層４４を除去する。下部圧電膜１４ａ上に挿入膜２８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。挿入膜２８の膜厚は凹部４６の深さ程度または深さ以上とする。図３（ｂ）に示すように、挿入膜２８上に、フォトレジスト等のダミー層４８を、例えばスピンコート法またはスプレーコート法を用い形成する。ダミー層４８の上面がほぼ平坦となるようにダミー層４８を形成する。図３（ｃ）に示すように、ダミー層４８と挿入膜２８を例えば、ドライエッチング法を用いエッチングする。このとき、ダミー層４８と挿入膜２８とのエッチング速度はほぼ同じとなるようにする。領域６２の挿入膜２８が除去された時点でエッチングを停止する。これにより、領域６０に挿入膜２８が残存し、領域６２の凸部４７上の挿入膜２８は除去される。下部圧電膜１４ａの上面の凹部４６内に挿入膜２８が埋め込まれる。挿入膜２８と下部圧電膜１４ａの上面はほぼ平坦となる。
図３（ｄ）に示すように、上部圧電膜１４ｂ、上部電極１６の下層１６ａおよび上層１６ｂ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。下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂから圧電膜１４が形成される。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してもよい。
なお、図１（ｄ）に示す並列共振器においては、上部電極１６の下層１６ａを形成した後に、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。その後、上部電極１６の上層１６ｂを形成する。
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。
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（図１（ｃ）、図１（ｄ）参照）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、図１（ａ）および図１（ｃ）に示した直列共振器Ｓ、および図１（ａ）および図１（ｄ）に示した並列共振器Ｐが作製される。
実施例１の圧電薄膜共振器を製造する別の方法を説明する。図３（ａ）の後、挿入膜２８の上面を、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法等の研磨法を用い平坦化する。領域６２の挿入膜２８が除去された時点で研磨を停止する。これにより、図３（ｃ）の構造となる。
実施例１の圧電薄膜共振器を製造するさらに別の方法を説明する。図４は、実施例１の圧電薄膜共振器の別の製造方法を示す断面図である。図４に示すように、図２（ｄ）の後に、マスク層４４であるフォトレジストを除去せず、下部圧電膜１４ａおよびマスク層４４上に、例えばスパッタリング法、真空蒸着法を用い挿入膜２８を形成する。マスク層４４を除去すると、マスク層４４上の挿入膜２８はリフトオフされる。これにより、図３（ｃ）の構造となる。
このように、実施例１では、下部圧電膜１４ａの上面と挿入膜２８の上面とがほぼ平坦となる。
図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施例１、比較例１および比較例２に係る圧電薄膜共振器の共振領域の外周領域周辺の断面図である。下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜２８および上部電極１６以外の図示を省略している。
図５（ａ）に示すように、実施例１においては、共振領域５０の外周領域の少なくとも一部に挿入膜２８が形成されている。これにより、不要な横モードのラム波の発生が抑制されるとともに、弾性波エネルギーが共振領域５０の外に漏れることが抑制される。よって、圧電薄膜共振器のＱ値等の特性が改善する。
また、下部圧電膜１４ａの上面に凹部４６が形成されている。挿入膜２８が挿入された領域６０は凹部４６となっており、挿入膜２８が挿入されていない領域６２は凸部となっている。このように、領域６２における下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの界面は、挿入膜２８の下面より上にある。凹部４６の深さＤと挿入膜２８の膜厚Ｔ１ｃはほぼ同じである。これにより、領域６０の挿入膜２８の上面と領域６２の下部圧電膜１４ａの上面はほぼ平坦となる。上部圧電膜１４ｂの膜厚は領域６０と６２とでほぼ同じである。このため、上部圧電膜１４ｂの上面は平坦となる。領域６０における下部圧電膜１４ａ、上部圧電膜１４ｂおよび挿入膜２８の膜厚をそれぞれＴ１ａ、Ｔ１ｂおよびＴ１ｃとする。領域６２における下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂの膜厚をＴ２ａおよびＴ２ｂとする。膜厚Ｔ１ａ＋Ｔ１ｃは膜厚Ｔ２ａとほぼ等しい。膜厚Ｔ１ｂと膜厚Ｔ２ｂはほぼ等しい。このため、領域６０おける圧電膜１４と挿入膜２８の膜厚Ｔ１ａ＋Ｔ１ｂ＋Ｔ１ｃは、領域６２における圧電膜１４の膜厚Ｔ２ａ＋Ｔ２ｂとほぼ等しくなる。
図５（ｂ）に示すように、比較例１においては、下部圧電膜１４ａの上面が平坦である。挿入膜２８は、下部圧電膜１４ａに対し凸部となる。上部圧電膜１４ｂを形成すると、上部圧電膜１４ｂに線６８のような結晶の不連続が生じる。これにより、上部圧電膜１４ｂの結晶性が低下する、および／または上部圧電膜１４ｂの機械的強度が低下する。場合によっては、信頼性が低下する。また、上部圧電膜１４ｂの上面には、挿入膜２８に対応した凹凸が形成され、中央領域５４と外周領域５２との境界において段差４５が形成される。これにより、圧電薄膜共振器の特性が劣化する。
図５（ｃ）に示すように、比較例２においては、挿入膜２８の側面を傾斜させる。この場合でも、上部圧電膜１４ｂの上面には凹凸が形成され、中央領域５４と外周領域５２との境界において段差４５が形成される。よって、比較例１と同様に、上部圧電膜１４ｂの結晶性および上部圧電膜１４ｂの機械的強度が低下する。また、圧電薄膜共振器の特性が劣化する。
特許文献１の図面においては、圧電膜の上面に段差は図示されていない。これは、特許文献１の図面が模式的に記載されているためである。特許文献１の製造方法を用い挿入膜を形成すると、比較例１または比較例２と同様に、圧電膜１４の上面に挿入膜２８に対応する凹凸が形成される。これにより、上部圧電膜１４ｂの結晶性および機械的強度が低下する。また、圧電薄膜共振器の特性が劣化する。
図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれシミュレーションに用いた実施例１および比較例１の断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、シミュレーションは、共振領域５０の中心線（図６（ａ）および図６（ｂ）の左端（不図示））に対し線対称な２次元構造として行なった。
図６（ａ）に示すように、実施例１においては、圧電膜１４の上面はほぼ平坦である。図６（ｂ）に示すように、比較例１においては、圧電膜１４の上面には、挿入膜２８に対応した凹凸が形成される。これにより、領域６０と６２との境界において段差４５が形成される。
シミュレーションにおいて、積層膜１８の各膜厚および材料は図１（ａ）から図１（ｄ）の２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器として例示したものとした。すなわち、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂを膜厚がそれぞれ７０５ｎｍおよび５０５ｎｍのＡｌＮとした。挿入膜２８を膜厚が１５０ｎｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜とした。共振領域５０と挿入膜２８との重なる幅Ｗを３μｍとした。実施例１では、下部圧電膜１４ａの上面に深さ１５０ｎｍの凹部が形成され、挿入膜２８は凹部に埋め込まれている。
図７は、実施例１および比較例１における反射特性のスミスチャートである。図７に示すように、共振点７０と反共振点７２との間の周波数において、比較例１は実施例１より劣化の大きい箇所７４がある。
図８は、実施例１および比較例１における反射特性を示す図である。図８に示すように、比較例１では反射特性が劣化する箇所７６がある。実施例１では、反射特性の劣化はほとんど観察されない。
図９（ａ）から図９（ｅ）は、実施例１および比較例１における共振点のＱ値Ｑｒ、反共振点のＱ値Ｑａ、実効的電気機械結合係数ｋ２、ＦＯＭ、周波数における最大のＱ値Ｑｍａｘを示す図である。図９（ａ）から図９（ｅ）に示すように、実施例１は比較例１に比べ共振点のＱ値Ｑｒ、反共振点のＱ値Ｑａ、最大Ｑ値Ｑｍａｘが大きい。実施例１と比較例１との実効的電気機械結合係数数ｋ２同程度である。これにより、実施例１は比較例に比べ、ＦＯＭ＝ｋ２×√（Ｑｒ×Ｑａ）が大きい。
このように、実施例１は比較例１に比べ、反射特性の劣化を抑制できる。また、実効的電気機械結合係数数ｋ２を低下させることなく、Ｑ値を向上できる。よって、ＦＯＭが向上する。
比較例１では、段差４５により、横方向の弾性波が生成されるため、反射特性の劣化およびＱ値の低下が生じるのではないかと考えられる。実施例１では、段差４５の形成が抑制されるため、横方向の弾性波の生成が抑制される。よって、反射特性の劣化およびＱ値の低下が抑制されるのではないかと考えられる。
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例１の変形例１および２に係る圧電薄膜共振器の共振領域の外周領域周辺の断面図である。図１０（ａ）に示すように、実施例１の変形例１においては、挿入膜２８の膜厚Ｔ１ｃが凹部４６の深さＤより小さい。このため、領域６０における圧電膜１４と挿入膜２８の合計の膜厚Ｔ１ａ＋Ｔ１ｂ＋Ｔ１ｃは、領域６２における圧電膜１４の膜厚Ｔ２ａ＋Ｔ２ｂより小さい。
図１０（ｂ）に示すように、実施例１の変形例２においては、挿入膜２８の膜厚Ｔ１ｃが凹部４６の深さＤより大きい。このため、領域６０における圧電膜１４と挿入膜２８の合計の膜厚Ｔ１ａ＋Ｔ１ｂ＋Ｔ１ｃは、領域６２における圧電膜１４の膜厚Ｔ２ａ＋Ｔ２ｂより大きい。
実施例の変形例１および２のように、領域６０における圧電膜１４と挿入膜２８の合計の膜厚Ｔ１ａ＋Ｔ１ｂ＋Ｔ１ｃは、領域６２における圧電膜１４の膜厚Ｔ２ａ＋Ｔ２ｂと同じでなくともよい。少なくとも、膜厚Ｔ１ａ＋Ｔ１ｂ＋Ｔ１ｃと膜厚Ｔ２ａ＋Ｔ２ｂとの差が挿入膜２８の膜厚Ｔ１ｃより小さければよい。これにより、上部圧電膜１４ｂを形成するときの下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８の上面の凹凸は、比較例１および２より小さくなる。よって、比較例１および２に比べ、圧電薄膜共振器の特性が向上する。また、上部圧電膜１４ｂの結晶性および強度が向上する。
実施例１によれば、図５（ａ）、図１０（ａ）および図１０（ｂ）のように、領域６０（第１領域）における圧電膜１４と挿入膜２８との合計膜厚Ｔ１ａ＋Ｔ１ｂ＋Ｔ１ｃと、領域６２（第２領域）における圧電膜１４の膜厚Ｔ２ａ＋Ｔ２ｂと、の差は、挿入膜２８の膜厚Ｔ１ｃより小さい。これにより、実施例１およびその変形例における圧電膜１４の上面の凹凸は比較例１および２における圧電膜１４の上面の凹凸より小さくなる。よって、実施例１およびその変形例は比較例１および２より圧電薄膜共振器の特性が向上する。また、上部圧電膜１４ｂの結晶性および強度が向上する。圧電膜１４の上面の凹凸をより小さくするため、膜厚Ｔ１ａ＋Ｔ１ｂ＋Ｔ１ｃと膜厚Ｔ２ａ＋Ｔ２ｂとの差は、挿入膜２８の膜厚Ｔ１ｃの５０％以下が好ましく、２０％以下がより好ましい。圧電膜１４の上面を平坦とするため、膜厚Ｔ１ａ＋Ｔ１ｂ＋Ｔ１ｃと膜厚Ｔ２ａ＋Ｔ２ｂとはほぼ同じであることが好ましい。
また、下部圧電膜１４ａの上面には、領域６０が凹部４６の底となるように凹部４６が形成され、挿入膜２８は凹部４６の底面上に設けられている。このように、下部圧電膜１４ａの上面に凹部４６を形成することにより、領域６０の挿入膜２８の上面と領域６２の下部圧電膜１４ａの上面との段差を小さくできる。
凹部４６の深さＤと挿入膜２８の膜厚Ｔ１ｃとの差は、挿入膜２８の膜厚Ｔ１ｃより小さい。これにより、図１０（ａ）および図１０（ｂ）のように、領域６０における合計膜厚Ｔ１ａ＋Ｔ１ｂ＋Ｔ１ｃと領域における圧電膜１４の膜厚Ｔ２ａ＋Ｔ２ｂとの差を、挿入膜２８の膜厚Ｔ１ｃより小さくできる。深さＤと膜厚Ｔ１ｃとの差は、挿入膜２８の膜厚Ｔ１ｃの５０％以下が好ましく、２０％以下がより好ましい。
共振領域５０において、平面視において、挿入膜２８が形成された領域と凹部４６が形成されて領域とは一致していることが好ましい。これにより、下部圧電膜１４ａと挿入膜２８の上面をより平坦にできる。
特許文献１のように、Ｑ値を向上させるため、挿入膜２８のヤング率は、圧電膜１４のヤング率より小さいことが好ましく、圧電膜１４のヤング率の９０％以下がより好ましく、８０％以下がより好ましい。圧電膜１４がＡｌＮを主成分とする場合、挿入膜２８は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｃｒまたは酸化シリコンの少なくとも１つを主成分とすることが好ましい。
図１１（ａ）は、実施例２の圧電薄膜共振器の平面図、図１１（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１１（ｃ）および図１１（ｄ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１１（ｃ）は、直列共振器、図１１（ｄ）は並列共振器の断面図を示している。図１１（ａ）から図１１（ｄ）に示すように、挿入膜２８は、共振領域５０内に設けられ共振領域５０外には設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図１２（ａ）は、実施例２の変形例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１２（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１２（ｃ）は、直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、挿入膜２８は、外周領域５２に加え共振領域５０を囲む領域５６に設けられている。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。
実施例１のように、挿入膜２８は、共振領域５０外の全体に設けられていてもよい。実施例２のように、挿入膜２８は、共振領域５０の外に設けられていなくともよい。実施例２の変形例１のように、挿入膜２８は、共振領域５０を囲む領域５６に設けられ、領域５６外に設けられていなくてもよい。いずれにおいても、圧電薄膜共振器のＱ値を改善することができる。
図１３（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１３（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１３（ｃ）は、直列共振器の断面図を示している。図１３（ａ）から図１３（ｃ）に示すように、挿入膜２８は、外周領域５２の一部に設けられ、外周領域５２の一部５５には挿入膜２８が設けられていない。その他の構成は実施例２の変形例１と同じであり説明を省略する。
実施例３ように、挿入膜２８は外周領域５２の一部に設けられていればよい。挿入膜２８が外周領域５２の一部に設けられていても弾性波の共振領域５０外への漏洩を抑制できる。挿入膜２８は共振領域５０の外周の少なくとも５０％以上に設けられていることが好ましく、７５％以上がより好ましく、９０％以上がさらに好ましい。
実施例１、実施例２およびその変形例の圧電薄膜共振器においても、外周領域５２の一部５５に挿入膜２８が設けられていなくともよい。
図１４（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１４（ｂ）は、挿入膜および付加膜の平面図、図１４（ｃ）および図１４（ｄ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１４（ｃ）は、直列共振器、図１４（ｄ）は、並列共振器の断面図を示している。図１４（ａ）から図１４（ｄ）に示すように、下部電極１２と重なる外周領域５２に挿入膜２８が設けられている。上部電極１６上に付加膜２６が設けられている。付加膜２６は、例えば下からＴｉ膜およびＡｕ膜の積層膜である。付加膜２６は弾性波が共振領域５０の外に漏洩することを抑制する。付加膜２６は、他の金属を用いてもよい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
実施例４のように、挿入膜２８は外周領域５２の一部に設けられ、付加膜２６が外周領域５２の他の領域に設けられていてもよい。挿入膜２８および付加膜２６が中央領域５４の外周の全てを囲んでいることが好ましい。挿入膜２８および付加膜２６が中央領域５４の外周の一部を囲んでいてもよい。
実施例１から３およびその変形例の圧電薄膜共振器においても、実施例４のように、付加膜２６を設けてもよい。
図１５（ａ）は、実施例５に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１５（ｂ）は、挿入膜および開口の平面図、図１５（ｃ）および図１５（ｄ）は、図１５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１５（ｃ）は、直列共振器、図１５（ｄ）は、並列共振器の断面図を示している。図１５（ａ）から図１５（ｄ）に示すように、上部電極１６と重なる外周領域５２に挿入膜２８が設けられている。下部電極１２上の圧電膜１４が除去され開口３６が形成されている。圧電膜１４は、上部電極１６が庇になるように除去されている。開口３６は弾性波が共振領域５０の外に漏洩することを抑制する。開口３６は、共振領域５０の外に設けられていれば、下部電極１２上以外に設けられていてもよい。
実施例５のように、挿入膜２８は外周領域５２の一部に設けられ、外周領域５２の他の領域の外に圧電膜１４の開口３６が設けられていてもよい。挿入膜２８および開口３６が中央領域５４の外周の全てを囲んでいることが好ましい。挿入膜２８および開口３６が中央領域５４の外周の一部を囲んでいてもよい。
実施例１から３およびその変形例の圧電薄膜共振器においても、実施例５のように、開口３６を設けてもよい。
実施例６およびその変形例は、空隙の構成を変えた例である。図１６（ａ）は、実施例６の圧電薄膜共振器の断面図、図１６（ｂ）は、実施例６の変形例１の圧電薄膜共振器の断面図である。図１６（ａ）に示すように、基板１０の上面に窪みが形成されている。下部電極１２は、基板１０上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０が、基板１０の窪みに形成されている。空隙３０は共振領域５０を含むように形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。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。なお、下部電極１２の下面に絶縁膜が接して形成されていてもよい。すなわち、空隙３０は、基板１０と下部電極１２に接する絶縁膜との間に形成されていてもよい。絶縁膜としては、例えば窒化アルミニウム膜を用いることができる。
図１６（ｂ）に示すように、共振領域５０の下部電極１２下に音響反射膜３１が形成されている。音響反射膜３１は、音響インピーダンスの低い膜３０ａと音響インピーダンスの高い膜３０ｂとが交互に設けられている。膜３０ａおよび３０ｂの膜厚は例えばそれぞれλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３０ａと膜３０ｂの積層数は任意に設定できる。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
なお、実施例１から５およびその変形例において、実施例６と同様に空隙３０を形成してもよく、実施例６の変形例１と同様に空隙３０の代わりに音響反射膜３１を形成してもよい。
実施例１から実施例６およびその変形例のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において空隙３０が基板１０と下部電極１２との間に形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）でもよい。また、実施例６の変形例１のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において下部電極１２下に圧電膜１４を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜３１を備えるＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）でもよい。
実施例１から実施例６およびその変形例において、共振領域５０が楕円形状の例を説明したが、他の形状でもよい。例えば、共振領域５０は、四角形または五角形等の多角形でもよい。
実施例７はデュプレクサの例である。図１７は、実施例７に係るデュプレクサの回路図である。図１７に示すように、デュプレクサは、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２を備えている。送信フィルタ４０は、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に接続されている。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に接続されている。共通端子Ａｎｔとグランドとの間には、整合回路としてインダクタＬ１が設けられている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。インダクタＬ１は、送信フィルタ４０を通過した送信信号が受信フィルタ４２に漏れず共通端子Ａｎｔから出力されるようにインピーダンスを整合させる。
送信フィルタ４０は、ラダー型フィルタである。送信端子Ｔｘ（入力端子）と共通端子Ａｎｔ（出力端子）との間に１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続されている。送信端子Ｔｘと共通端子Ａｎｔとの間に１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ３が並列に接続されている。並列共振器Ｐ１からＰ３のグランド側は共通にインダクタＬ２を介し接地されている。直列共振器、並列共振器およびインダクタ等の個数や接続は所望の送信フィルタ特性を得るため適宜変更可能である。直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３の少なくとも１つを実施例１から６および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
図１８（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、実施例１に係る圧電薄膜共振器を同一基板１０に形成し、ラダー型フィルタとすることができる。圧電膜１４に開口３６が形成され、開口３６と同じ場所に挿入膜２８の開口が設けられている。これらの開口を介し、外部から下部電極１２に電気的に接続することができる。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。各共振器Ｓ１からＳ４およびＰ１からＰ３の共振領域５０の大きさおよび形状は、適宜変更可能である。
受信フィルタ４２は、ラダー型フィルタでもよく、多重モードフィルタでもよい。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方をラダー型フィルタまたはラティス型フィルタとすることができる。また、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方の少なくとも１つの共振器を実施例１から６およびその変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
フィルタが実施例１から６およびその変形例の圧電薄膜共振器を含む。これにより、共振器のＱ値が向上し、フィルタのスカート特性を向上できる。
また、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例１から６およびその変形例の圧電薄膜共振器を含むフィルタとすることができる。
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 下部電極
１４ 圧電膜
１４ａ 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１６ 上部電極
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
４６ 凹部
４７ 凸部
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
６０、６２ 領域

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられた圧電膜と、
    前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、
    前記圧電膜中に挿入され、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し厚み縦振動モードの弾性波が共振する共振領域内の外周領域の少なくとも一部に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられておらず、前記共振領域の外周に沿って前記中央領域を囲む領域に設けられた挿入膜と、
    を具備し、
    前記共振領域内の前記挿入膜が挿入された第１領域における前記圧電膜と前記挿入膜との合計膜厚と、前記挿入膜が挿入されていない第２領域における前記圧電膜の膜厚と、の差は前記挿入膜の膜厚より小さく、
    前記挿入膜のヤング率は前記圧電膜のヤング率より小さく、
    前記第１領域における前記圧電膜の上面と前記第２領域における前記圧電膜の上面との間は平坦、または前記第１領域における前記圧電膜の上面と前記第２領域における前記圧電膜との間の段差は挿入膜の膜厚より小さく、
    前記基板と前記下部電極との間、または前記基板と前記下部電極に接する絶縁膜との間に、平面視において前記共振領域を含むように空隙が形成されている、または、前記下部電極下に、平面視において前記共振領域を含むように、前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備することを特徴とする圧電薄膜共振器。
  2. 前記圧電膜は、下部圧電膜と前記下部圧電膜上に設けられた上部圧電膜とを備え、前記下部圧電膜の上面には、前記第１領域が凹部の底となるように凹部が形成され、前記挿入膜は前記凹部の前記底上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振器。
  3. 前記凹部の深さと前記挿入膜の膜厚との差は前記挿入膜の膜厚より小さいことを特徴とする請求項２記載の圧電薄膜共振器。
  4. 前記第１領域における前記圧電膜と前記挿入膜との合計膜厚と前記第２領域における圧電膜の膜厚は同じであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
  5. 請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を含むことを特徴とするフィルタ。
  6. 送信フィルタと受信フィルタとを具備し、
    前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方は請求項５記載のフィルタであることを特徴とするデュプレクサ。
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