JP6886357B2 - 圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents
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Description
本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関し、空隙を有する圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関する。
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積層構造を有している。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。共振領域における下部電極の下には弾性波を反射する空隙が形成される（例えば特許文献１から３）。圧電膜が下部圧電膜と上部圧電膜を有し、下部圧電膜の外周が上部圧電膜の外周より外側に位置する構造が知られている（例えば特許文献１）。
特許文献１では、下部圧電膜の外周を空隙の外周より外側とすることで、積層膜の強度を大きくし、積層膜の破損等の劣化を抑制している。しかしながら、例えば共振周波数を高周波数とするため積層膜を薄くすると、特許文献１の構造でも積層膜の強度は十分でない。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、積層膜の劣化を抑制することを目的とする。
本発明は、基板と、前記基板上に空隙を介し設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた上部電極と、前記下部電極上に設けられた下部圧電膜と、前記下部圧電膜と前記上部電極との間に設けられた上部圧電膜と、を有し、前記下部電極が共振領域から引き出される引き出し領域において、前記下部圧電膜の第１端面の下端は前記空隙の外周と略一致または前記外周より外側に位置し、前記上部圧電膜の第２端面は前記下部電極に向かうに従い前記上部圧電膜が広がるように傾斜し、前記第２端面の上端は前記空隙の前記外周と略一致または前記外周より内側に位置し、前記下部圧電膜は前記第１端面の上端と前記第２端面の下端との間に膜厚が略均一な領域を有する圧電膜と、を具備し、前記引き出し領域において、前記上部圧電膜を挟み前記基板の上面と前記上部圧電膜の端面とのなす角度は、７０°以下かつ２０°以上であり、前記共振領域は、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが設けられた領域の少なくとも一部の領域を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域であり、前記空隙の上面は中央が上方に膨らみ、前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極の合計の内部応力は圧縮応力である圧電薄膜共振器である。
上記構成において、前記引き出し領域において、前記下部圧電膜の第１端面の下端は前記空隙の前記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、前記引き出し領域において、前記第２端面の上端は前記上部電極の外周と略一致または前記外周の内側に位置し、前記第２端面の下端は前記空隙の前記外周と略一致または前記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、前記引き出し領域において、前記第１端面は前記下部電極に向かうに従い前記下部圧電膜が広がるように傾斜する構成とすることができる。
上記構成において、前記共振領域の外周領域の前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に設けられ、前記共振領域の中央領域に設けられていない挿入膜を具備する構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電膜は窒化アルミニウムを主成分とし、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが設けられた領域における前記圧電膜の膜厚は７００ｎｍ以下であり、前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極の合計の内部応力は−１００ＭＰａ以下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フィルタである。
本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。
本発明によれば、積層膜の劣化を抑制することができる。
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に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、挿入膜および空隙の平面図、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は下部電極１２上に設けられ、上部圧電膜１４ｂは下部圧電膜１４ａと上部電極１６との間に設けられている。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。
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。
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、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２５０ｎｍのＲｕ膜とする。圧電膜１４を膜厚が１１００ｎｍ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。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向の中心に設けられている。上部電極１６の下層１６ａを膜厚が２５０ｎｍ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。
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（アルミニウム）、Ｔｉ、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）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族元素もしくは１２族元素と４族元素との２つの元素、または２族元素もしくは１２族元素と５族元素との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族元素は、例えばＣａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）またはＳｒ（ストロンチウム）である。１２族元素は例えばＺｎ（亜鉛）である。４族元素は、例えばＴｉ、Ｚｒ（ジルコニウム）またはＨｆ（ハフニウム）である。５族元素は、例えばＴａ、Ｎｂ（ニオブ）またはＶ（バナジウム）である。さらに、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、Ｂ（ボロン）を含んでもよい。
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。密度がほぼ同じであれば、ヤング率は音響インピーダンスと相関することから、挿入膜２８の音響インピーダンスは圧電膜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。さらに、挿入膜２８の音響インピーダンスを圧電膜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膜、Ｃｕ膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、Ｔａ膜、Ｃｒ膜または酸化シリコン膜であることが好ましい。
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は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の共振領域付近の共振領域、空隙、下部電極、上部電極および圧電膜の位置関係を示す平面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、図２のそれぞれＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。
図１（ａ）から図３（ｂ）において、共振領域５０の外側の輪郭である外周６０、挿入膜２８の内側の輪郭である内周６２、空隙３０の外周６４、上部圧電膜１４ｂの端面１５ｂの上端６６および下部圧電膜１４ａの端面１５ａの下端６８を図示している。共振領域５０を囲む領域のうち、上部電極１６を共振領域５０から引き出す引き出し領域７０と、下部電極１２を共振領域５０から引き出す引き出し領域７２を図示している。
なお、略一致するとは、例えば製造工程におけるばらつき、製造工程における合わせ精度程度に一致するとのことである。
図２から図３（ｂ）に示すように、引き出し領域７０においては、下部電極１２の外周が共振領域５０の外周６０となる。引き出し領域７２においては、上部電極１６の外周が共振領域５０の外周６０となる。引き出し領域７０において、共振領域５０の外周６０と空隙３０の外周６４は略一致している。引き出し領域７２において、空隙３０の外周６４は共振領域５０の外周６０より外側に位置している。挿入膜２８の内周６２は共振領域５０の外周６０の内側に位置している。
引き出し領域７２において、下部圧電膜１４ａの端面１５ａおよび上部圧電膜１４ｂの端面１５ｂは、下部電極１２側の圧電膜１４が広くなるように傾斜している。下部電極１２の上面（または基板１０の上面）と端面１５ａとのなす角度（内角）はθ１であり、下部電極１２の上面と端面１５ｂのなす角度（内角）はθ２である。下部圧電膜１４ａの端面１５ａの下端６８と上部圧電膜１４ｂの端面１５ｂの上端６６との幅はＷ１である。
平面視において端面１５ａは空隙３０の外周６４の外側に位置している。端面１５ｂは空隙３０の外周６４の内側に位置する。端面１５ｂの上端６６は上部電極１６の外周と略一致する。周波数調整膜２４は、端面１５ａの下端６８の外側まで設けられている（図３（ｂ）参照）。
［実施例１の製造方法］
図４（ａ）から図５（ｂ）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４（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法およびエッチング法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法およびエッチング法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４（ａ）から図５（ｂ）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４（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法およびエッチング法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法およびエッチング法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４（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。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。その後、挿入膜２８を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。挿入膜２８は、リフトオフ法により形成してもよい。
図４（ｃ）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法およびエッチング法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法およびエッチング法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。周波数調整膜の図示を省略している。
図５（ａ）に示すように、圧電膜１４をフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。エッチング法として、ウェットエッチング法を用いてもよいし、ドライエッチング法を用いてもよい。エッチング条件等を適切に選択することで端面１５ａおよび１５ｂを傾斜させることができる。例えばウェットエッチング法を用いて圧電膜１４をエッチングすることで、端面１５ａおよび１５ｂが傾斜する。
上部圧電膜１４ｂをエッチングするマスクの少なくとも一部に上部電極１６を用いてもよい。上部電極１６をマスクとして上部圧電膜１４ｂをエッチングすることにより、上部圧電膜１４ｂを上部電極１６と同じ形状にパターニングできる。下部圧電膜１４ａをエッチングするマスクの少なくとも一部に挿入膜２８および上部電極１６を用いてもよい。挿入膜２８をマスクとして下部圧電膜１４ａをエッチングすることにより、下部圧電膜１４ａと挿入膜２８の輪郭を略一致できる。
図５（ｂ）に示すように、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。
［シミュレーション１］
圧電薄膜共振器は、共振周波数を高くしようとすると積層膜１８が薄くなる。このため積層膜１８の強度が小さくなる。特に、図５（ｂ）において説明したように、積層膜１８の応力が大きい場合、積層膜１８が劣化しやすくなる。そこで、共振周波数が５ＧＨｚの圧電薄膜共振器について、下部電極１２の変位量をシミュレーションした。
圧電薄膜共振器は、共振周波数を高くしようとすると積層膜１８が薄くなる。このため積層膜１８の強度が小さくなる。特に、図５（ｂ）において説明したように、積層膜１８の応力が大きい場合、積層膜１８が劣化しやすくなる。そこで、共振周波数が５ＧＨｚの圧電薄膜共振器について、下部電極１２の変位量をシミュレーションした。
図６（ａ）から図６（ｃ）は、サンプルＡからＣの図２のＢ−Ｂ断面に相当する図である。サンプルＡは比較例１に相当し、サンプルＢおよびＣは実施例１に相当する。共振領域５０の短軸方向の位置をＸとする。サンプルＡからＣの図２のＡ−Ａ断面は図３（ａ）と同じである。
図６（ａ）に示すように、サンプルＡでは、空隙３０の外周６４は端面１５ａの下端６８より幅Ｗ２外側に位置している。その他の構成は図３（ｂ）と同じであり説明を省略する。
図６（ｂ）に示すように、サンプルＢでは、端面１５ａの下端６８と空隙３０の外周６４が略一致している。その他の構成は図３（ｂ）と同じであり説明を省略する。
図６（ｃ）に示すように、サンプルＣでは、端面１５ｂの上端６６と空隙３０の外周６４が略一致している。その他の構成は図３（ｂ）と同じであり説明を省略する。
その他のシミュレーション条件は以下である。
下部電極１２の下層１２ａ：膜厚が２５ｎｍのＣｒ膜
下部電極１２の上層１２ｂ：膜厚が８０ｎｍのＲｕ膜
下部圧電膜１４ａ：膜厚が２４５ｎｍのＡｌＮ膜
上部圧電膜１４ｂ：膜厚が２４５ｎｍのＡｌＮ膜
挿入膜２８：膜厚が５０ｎｍの酸化シリコン膜
上部電極１６の下層１６ａ：膜厚が１００ｎｍのＲｕ膜
上部電極１６の上層１６ｂ：膜厚が１５ｎｍのＣｒ膜
周波数調整膜２４：膜厚が２０ｎｍの酸化シリコン膜
端面１５ａの角度θ１：７０°
端面１５ｂの角度θ２：５０°
幅Ｗ１：８μｍ
幅Ｗ２：５μｍ
共振領域５０の幅：４２μｍ
挿入膜２８の挿入幅Ｗ２：１１μｍ
下部電極１２の下層１２ａ：膜厚が２５ｎｍのＣｒ膜
下部電極１２の上層１２ｂ：膜厚が８０ｎｍのＲｕ膜
下部圧電膜１４ａ：膜厚が２４５ｎｍのＡｌＮ膜
上部圧電膜１４ｂ：膜厚が２４５ｎｍのＡｌＮ膜
挿入膜２８：膜厚が５０ｎｍの酸化シリコン膜
上部電極１６の下層１６ａ：膜厚が１００ｎｍのＲｕ膜
上部電極１６の上層１６ｂ：膜厚が１５ｎｍのＣｒ膜
周波数調整膜２４：膜厚が２０ｎｍの酸化シリコン膜
端面１５ａの角度θ１：７０°
端面１５ｂの角度θ２：５０°
幅Ｗ１：８μｍ
幅Ｗ２：５μｍ
共振領域５０の幅：４２μｍ
挿入膜２８の挿入幅Ｗ２：１１μｍ
下部電極１２の内部応力：−１００ＭＰａ
圧電膜１４の内部応力：−５００ＭＰａ
上部電極１６の内部応力：−１０００ＭＰａ
内部応力は負が圧縮応力である。
図５（ｂ）において、犠牲層３８が除去される前後の下部電極１２の下面の変位量を２次元の有限要素法を用いシミュレーションした。
圧電膜１４の内部応力：−５００ＭＰａ
上部電極１６の内部応力：−１０００ＭＰａ
内部応力は負が圧縮応力である。
図５（ｂ）において、犠牲層３８が除去される前後の下部電極１２の下面の変位量を２次元の有限要素法を用いシミュレーションした。
図７（ａ）および図７（ｂ）は、サンプルＡからＣにおける位置Ｘに対する変位量を示す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の領域Ｄの拡大図である。位置Ｘは、上部電極１６の引き出し領域７０側の共振領域５０の外周６０を０とした。下部電極１２の引き出し領域７２側の共振領域５０の外周６０の位置Ｘは４２μｍとなる。下部圧電膜１４ａの端面１５ａの下端６８の位置Ｘは５０μｍとなる。変位量は、上部電極１６の引き出し領域７０側の共振領域５０の外周６０における下部電極１２の下面を０とした。犠牲層３８を除去したときに、下部電極１２の下面が上方に変位したときの変位量を正とした。
図７（ａ）に示すように、サンプルＡおよびＢでは、共振領域５０の中央付近の変位量が大きい。サンプルＣでは、変位量が小さい。
図７（ｂ）に示すように、サンプルＡでは、端面１５ａの下端６８付近で変位量が負となる。このように、サンプルＡでは、端面１５ａ付近において下部電極１２が下方向に変位する。例えば下部電極１２が基板１０の上面に接触すると、下部電極１２等の積層膜１８が破壊されやすくなる。また、端面１５ａ付近において下部電極１２の変位量が負から正に急激に変化する。これにより、積層膜１８が破壊されやすくなる。
サンプルＢおよびＣでは、端面１５ａ付近の変位量は０または正である。これにより積層膜１８の破損等の劣化が抑制される。少なくともサンプルＢとＣとの間に空隙３０の外周６４が位置すれば、積層膜１８の劣化が抑制できると考えられる。
［シミュレーション２］
次に、上部圧電膜１４ｂの端面１５ｂと下面とのなす角度θ２が５０°のサンプルＤと角度θ２が９０°のサンプルＥについて、積層膜１８内の応力をシミュレーションした。サンプルＤは実施例１に相当し、サンプルＥは比較例２に相当する。角度θ２以外のシミュレーション条件はシミュレーション１と同じである。
次に、上部圧電膜１４ｂの端面１５ｂと下面とのなす角度θ２が５０°のサンプルＤと角度θ２が９０°のサンプルＥについて、積層膜１８内の応力をシミュレーションした。サンプルＤは実施例１に相当し、サンプルＥは比較例２に相当する。角度θ２以外のシミュレーション条件はシミュレーション１と同じである。
図８（ａ）および図８（ｂ）は、サンプルＤおよびＥにおける応力を示す図である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、端面１５ｂ付近の拡大図であり、濃淡は応力を示し濃い領域は応力が大きいことを示している。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、サンプルＥではサンプルＤに比べ応力が大きい。端面１５ｂと挿入膜２８とが接する付近の領域７４の応力は、サンプルＤが約−１５０ＭＰａに対しサンプルＥが約−３００ＭＰａである。このように、サンプルＥはサンプルＤの約２倍の応力が加わる。領域７４は、図７（ａ）および図７（ｂ）のように、変位量が急激に変化する付近であり、約２倍の応力により上部圧電膜１４ｂが剥がれる等の積層膜１８の劣化が生じる。
［実施例１の効果］
実施例１によれば、下部電極１２の引き出し領域７２において、下部圧電膜１４ａの端面１５ａ（第１端面）の下端６８は空隙３０の外周６４と略一致または外周６４より外側に位置する。これにより、図７（ａ）および図７（ｂ）のように、積層膜１８が基板１０側に変位し積層膜１８が劣化することを抑制できる。
実施例１によれば、下部電極１２の引き出し領域７２において、下部圧電膜１４ａの端面１５ａ（第１端面）の下端６８は空隙３０の外周６４と略一致または外周６４より外側に位置する。これにより、図７（ａ）および図７（ｂ）のように、積層膜１８が基板１０側に変位し積層膜１８が劣化することを抑制できる。
上部圧電膜１４ｂの端面１５ｂ（第２端面）は下部電極１２に向かうに従い圧電膜１４が広がるように傾斜している。これにより、図８（ａ）および図８（ｂ）のように、変位量が大きく変化する領域の応力の集中を抑制し、積層膜１８の劣化をより抑制できる。上部圧電膜１４ｂの端面１５ｂと下面とのなす角度θ２は、７０°以下が好ましく、６０°以下がより好ましい。また、角度θ２は、２０°以上が好ましく３０°以上がより好ましい。
空隙３０の外周６４が共振領域５０の外周６０の内側に位置すると、弾性波が制限される。よって、共振領域５０の外周６０にほぼ一致する端面１５ｂの上端６６は空隙３０の外周６４と略一致または外周６４より内側に位置する。
積層膜１８の劣化の抑制のためには、下部圧電膜１４ａの端面１５ａに加え上部圧電膜１４ｂの端面１５ｂを空隙３０の外周６４の外側に位置させることが好ましいと考えられる。しかし、上部圧電膜１４ｂの端面１５ｂが空隙３０の外周６４の外側に位置すると、共振領域５０から横モードの弾性波が上部圧電膜１４ｂを介し基板に漏洩する。これにより、Ｑ値等の特性が劣化する。そこで、下部圧電膜１４ａは端面１５ａの上端と端面１５ｂの下端との間に膜厚が略均一な領域を有する。これにより、共振領域５０からの横モード弾性波は端面１５ｂにおいて反射される。よって、Ｑ値等の特性の劣化を抑制できる。
また、下部圧電膜１４ａの端面１５ａの下端６８は空隙３０の外周６４より外側に位置することが好ましい。これにより、積層膜１８の破損等の劣化をより抑制できる。
引き出し領域７２において、端面１５ｂの上端６６は上部電極１６の外周と略一致またはその外周の内側に位置することが好ましい。これにより、横モード弾性波は共振領域５０の外周６０付近で反射されるため、共振領域５０外への弾性波の漏洩が抑制できる。端面１５ｂの下端が空隙３０の外周６４の外側に位置する場合、端面１５ｂの下端付近から弾性波が漏洩する可能性がある。そこで、端面１５ｂの下端は空隙３０の外周６４と略一致または外周６４より内側に位置することが好ましい。これにより、共振領域５０外への弾性波の漏洩をより抑制できる。
引き出し領域７２において、端面１５ａは下部電極１２に向かうに従い圧電膜１４が広がるように傾斜する。これにより、端面１５ａの下端６８付近における積層膜１８の応力を緩和できる。下部圧電膜１４ａの端面１５ａと下面とのなす角度θ１は、７０°以下が好ましく、６０°以下がより好ましい。また、角度θ１は、２０°以上が好ましく３０°以上がより好ましい。
空隙３０の上面は中央が上方に膨らんでいる場合、積層膜１８が変位しやすく、積層膜が劣化しやすい。よって、実施例１のように端面１５ｂを傾斜させることが好ましい。
下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６の合計の内部応力が圧縮応力の場合、積層膜１８が変位しやすく、積層膜が劣化しやすい。よって、実施例１のように端面１５ｂを傾斜させることが好ましい。圧縮応力が−１００ＭＰａ以下、−５００ＭＰａまたは−１０００ＭＰａ以下とすることができる。
挿入膜２８は、共振領域５０の外周領域５２の下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に設けられ、共振領域５０の中央領域５４に設けられていない。これにより、横モード弾性波は、挿入膜２８の内周６２と端面１５ｂとで反射される。よって、Ｑ値等の特性をより向上できる。
圧電膜１４は窒化アルミニウムを主成分とし、圧電膜１４の膜厚は１２００ｎｍ以下である。このように、圧電膜１４が薄い場合、積層膜１８が劣化しやすい。よって、実施例１のように端面１５ｂを傾斜させることが好ましい。圧電膜１４が窒化アルミニウムを主成分とする場合、共振周波数を５ＧＨｚとしようとすると、圧電膜１４の膜厚は１０００ｎｍ以下または７００ｎｍ以下となる。これにより積層膜１８が破壊されやすくなる。よって、３ＧＨｚまたは４ＧＨｚ以上の共振周波数を有する圧電薄膜共振器に実施例１を適用することが好ましい。
[実施例１の変形例１]
実施例１の変形例１は、空隙の構成を変えた例である。図９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９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。
実施例１の変形例１は、空隙の構成を変えた例である。図９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９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。
実施例１の変形例１では、積層膜１８の内部応力は小さくてもよいため、実施例１に比べ積層膜１８は破壊されにくい。しかし、積層膜１８の内部応力を０とすることはできず、積層膜１８が薄くなると、積層膜１８が破壊される可能性がある。よって、実施例１と同様に端面１５ｂを傾斜させることが好ましい。
実施例１およびその変形例において、引き出し領域７０において、空隙３０の外周６４が共振領域５０の外周６０に略一致する例を説明したが、空隙３０の外周６４が共振領域５０の外周６０の外側に位置してもよい。
下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間の挿入膜２８は共振領域５０全体に設けられていてもよい。挿入膜２８は、共振領域５０内に設けられておらず、共振領域５０外に設けられていてもよい。挿入膜２８は設けられていなくてもよい。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２は、実施例およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いたファルタおよびデュプレクサの例である。図１０（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図１０（ａ）に示すように、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２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。入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に、１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４が並列に接続されている。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４および１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４の少なくとも一つに実施例１およびその変形例の弾性波共振器を用いることができる。ラダー型フィルタの共振器の個数等は適宜設定できる。実施例１およびその変形例の弾性波共振器を含むフィルタは、ラダー型フィルタ以外に多重モードフィルタとすることもできる。
図１０（ｂ）は、実施例２の変形例に係るデュプレクサの回路図である。図１０（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。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。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２のフィルタとすることができる。
マルチプレクサの例としてデュプレクサについて説明したが、マルチプレクサは例えばトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。
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 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１５ａ、１５ｂ 端面
１６ 上部電極
２８ 挿入膜
３０ 空隙
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
６０ 共振領域の外周
６２ 挿入膜の内周
６４ 空隙の外周
６６ 端面１５ｂの上端
６８ 端面１５ａの下端
７０、７２ 引き出し領域
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１４ａ 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１５ａ、１５ｂ 端面
１６ 上部電極
２８ 挿入膜
３０ 空隙
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
６０ 共振領域の外周
６２ 挿入膜の内周
６４ 空隙の外周
６６ 端面１５ｂの上端
６８ 端面１５ａの下端
７０、７２ 引き出し領域
Claims (8)
- 基板と、
前記基板上に空隙を介し設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられた上部電極と、
前記下部電極上に設けられた下部圧電膜と、前記下部圧電膜と前記上部電極との間に設けられた上部圧電膜と、を有し、前記下部電極が共振領域から引き出される引き出し領域において、前記下部圧電膜の第１端面の下端は前記空隙の外周と略一致または前記外周より外側に位置し、前記上部圧電膜の第２端面は前記下部電極に向かうに従い前記上部圧電膜が広がるように傾斜し、前記第２端面の上端は前記空隙の前記外周と略一致または前記外周より内側に位置し、前記下部圧電膜は前記第１端面の上端と前記第２端面の下端との間に膜厚が略均一な領域を有する圧電膜と、
を具備し、
前記引き出し領域において、前記上部圧電膜を挟み前記基板の上面と前記上部圧電膜の端面とのなす角度は、７０°以下かつ２０°以上であり、
前記共振領域は、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが設けられた領域の少なくとも一部の領域を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域であり、
前記空隙の上面は中央が上方に膨らみ、
前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極の合計の内部応力は圧縮応力である圧電薄膜共振器。 - 前記引き出し領域において、前記下部圧電膜の第１端面の下端は前記空隙の前記外周より外側に位置する請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記引き出し領域において、前記第２端面の上端は前記上部電極の外周と略一致または前記外周の内側に位置し、前記第２端面の下端は前記空隙の前記外周と略一致または前記外周より内側に位置する請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記引き出し領域において、前記第１端面は前記下部電極に向かうに従い前記下部圧電膜が広がるように傾斜する請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記共振領域の外周領域の前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に設けられ、前記共振領域の中央領域に設けられていない挿入膜を具備する請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記圧電膜は窒化アルミニウムを主成分とし、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが設けられた領域における前記圧電膜の膜厚は７００ｎｍ以下であり、前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極の合計の内部応力は−１００ＭＰａ以下である請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
- 請求項７に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
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