JP7298991B2 - 圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents

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、例えばシリコン基板を有するフィルタおよびマルチプレクサに関する。

スマートフォンに代表される通信機器は、多くの周波数帯域を用いて通信を行っている。通信方式に応じた周波数帯域の濾過のためフィルタおよびマルチプレクサが用いられる。フィルタおよびマルチプレクサには、圧電薄膜共振器が用いられている。圧電薄膜共振器では、圧電膜を挟み下部電極と上部電極とが対向するように設けられている（例えば特許文献１）。圧電膜を挟み下部電極と上部電極とが対向する領域が共振領域である。圧電薄膜共振器の基板にシリコンを用いることが知られている（例えば特許文献２）。

米国特許第６２１５３７５号明細書 米国特許第６９２７６４９号明細書

シリコン基板は安価であり加工しやすい。しかし、圧電薄膜共振器の基板としてシリコン基板を用いるとＱ値が低下することがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、Ｑ値の低下を抑制することを目的とする。

本発明は、抵抗率が５０００Ω・ｃｍ以上かつ８０００Ω・ｃｍ以下のシリコン基板と、前記シリコン基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と対向する上部電極と、を備え、前記圧電膜の少なくとも一部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外において前記下部電極と前記シリコン基板とが電気的に接触する圧電薄膜共振器である。

上記構成において、前記圧電膜は窒化アルミニウム膜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、Ｑ値の低下を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施例１における圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、それぞれ図１（ａ）のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ図１（ａ）のＡ－Ａ断面およびＢ－Ｂ断面に相当する図である。 図３は、実験におけるシリコン基板の抵抗率に対するＱ値を示す図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の平面図である。 図５（ａ）は、実施例２における圧電薄膜共振器の平面図、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、それぞれ図５（ａ）のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ図５（ａ）のＡ－Ａ断面およびＢ－Ｂ断面に相当する図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例２の変形例１に係る圧電薄膜共振器の平面図である。 図８（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の断面図、図８（ｂ）は、実施例３の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 図９（ａ）は、実施例４に係るフィルタの回路図、図９（ｂ）は、実施例４の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。

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における圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、それぞれ図１（ａ）のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。図１（ａ）から図１（ｃ）に示すように、シリコン基板１０の上面に凹部が設けられ、凹部内に空隙３０が形成されている。シリコン基板１０上に下部電極１２が設けられている。

下部電極１２上に、圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。圧電膜１４の少なくとも一部を挟み下部電極１２と上部電極１６とが対向する領域は共振領域５０である。共振領域５０は厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。

共振領域５０の振動を妨げないように、平面視において空隙３０は共振領域５０を含んでいる。共振領域５０から下部電極１２および上部電極１６が引き出される領域はそれぞれ引き出し領域５２および５４である。引き出し領域５２および５４以外の領域５６においては、共振領域５０の外周は上部電極１６の外周により規定され、下部電極１２は共振領域５０より大きい。これにより、製造時において下部電極１２と上部電極１６との位置合わせがずれても共振領域５０の面積を一定にできる。

シリコン基板１０は単結晶基板であり抵抗率は例えば５０００Ω・ｃｍ^２以上である。下部電極１２および上部電極１６としては、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、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。

圧電膜１４としては、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）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。圧電膜１４は、例えば（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウムである。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。共振領域５０内に共振周波数を調整するための質量負荷膜が設けられていてもよい。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ図１（ａ）のＡ－Ａ断面およびＢ－Ｂ断面に相当する図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、下部電極１２と上部電極１６との間に高周波信号が印加されると、圧電膜１４に弾性波が励振する。このとき、圧電膜１４内には高周波電流６０が流れる。引き出し領域５２および領域５６において一部の電流６２が下部電極１２からシリコン基板１０に流れる。これにより、圧電薄膜共振器の損失が大きくなりＱ値が低下する。

［実験］
抵抗率の異なるシリコン基板を用い圧電薄膜共振器を作製しＱ値を測定した。以下に作製条件を示す。
下部電極１２：シリコン基板１０側から膜厚が１００ｎｍのＣｒ膜および膜厚が２００ｎｍのＲｕ膜
圧電膜１４：膜厚が１２５７ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６：圧電膜１４側から膜厚が２３７ｎｍのＲｕ膜、膜厚が３５ｎｍのＣｒ膜
共振領域５０の面積：３４０００μｍ^２
領域５６における下部電極１２の幅：２４７μｍ

図３は、実験におけるシリコン基板の抵抗率に対するＱ値を示す図である。ＱｒおよびＱａはそれぞれ共振周波数および反共振周波数におけるＱ値を示す。ドットは測定した点を示し実線は近似線である。図３の点線のように、シリコン基板の抵抗率が２０００Ω・ｃｍ^２以下では、Ｑ値が急激に低下することがわかっている。抵抗率が２０００Ω・ｃｍ^２に比べ抵抗率が６０００Ω・ｃｍ^２ではＱｒが高くなる。抵抗率が６０００Ω・ｃｍ^２と１００００Ω・ｃｍ^２ではＱｒは変わらない。抵抗率が２０００Ω・ｃｍ^２と６０００Ω・ｃｍ^２ではＱａはあまり変わらない。抵抗率が１００００Ω・ｃｍ^２ではＱａは低くなる。

図２（ａ）および図２（ｂ）で説明したように、抵抗率が２０００Ω・ｃｍ^２以下では一部の電流６２がシリコン基板１０に漏れるためＱ値が低下する。この観点からは抵抗率は２０００Ω・ｃｍ^２以上が好ましい。Ｑｒを高くするためには抵抗率は５０００Ω・ｃｍ^２以上が好ましい。また、高抵抗シリコン基板の抵抗率は制御が難しい。このため、マージンを考慮すると抵抗率は５０００Ω・ｃｍ^２以上が好ましい。抵抗率は６０００Ω・ｃｍ^２以上がより好ましく、７０００Ω・ｃｍ^２以上がさらに好ましい。抵抗率が大きくなるとＱａが低下する。このため、抵抗率は１００００Ω・ｃｍ^２以下が好ましく、８０００Ω・ｃｍ^２以下がより好ましく、７０００Ω・ｃｍ^２以下がさらに好ましい。

図２（ａ）および図２（ｂ）のように、引き出し領域５２および／または領域５６のように、共振領域５０外において下部電極１２とシリコン基板１０とが電気的に接触する。この場合、下部電極１２からシリコン基板１０に電流６２が流れやすい。よって、シリコン基板１０の抵抗率を５０００Ω・ｃｍ^２以上とすることが好ましい。

［実施例１の変形例１］
図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の平面図である。図４（ａ）に示すように、共振領域５０は楕円形状である。図４（ｂ）に示すように、共振領域５０は五角形状である。上部電極１６の引き出し領域５４以外の領域５６および下部電極１２の引き出し領域５２における共振領域５０の外周は上部電極１６により規定される。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１の変形例１では、引き出し領域５２および領域５６において下部電極１２がシリコン基板１０に接触している。このため、シリコン基板１０への電流６２の流入を抑制するためシリコン基板１０の抵抗率を５０００Ω・ｃｍ^２以上とする。これによりＱ値を向上できる。実施例１の変形例１のように、共振領域５０の形状は楕円形状または多角形状でもよい。

図５（ａ）は、実施例２における圧電薄膜共振器の平面図、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、それぞれ図５（ａ）のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。図５（ａ）から図５（ｃ）に示すように、領域５６において共振領域５０の外周は下部電極１２により規定され、上部電極１６は共振領域５０より大きい。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６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ図５（ａ）のＡ－Ａ断面およびＢ－Ｂ断面に相当する図である。図６（ａ）に示すように、引き出し領域５２において一部の電流６２が下部電極１２を介しシリコン基板１０に漏れる。引き出し領域５４には下部電極１２が設けられていない。このため矢印６４のように電流のシリコン基板１０への漏洩を抑制できる。図６（ｂ）に示すように、引き出し領域５２および５４以外の領域５６には下部電極１２が設けられていない。このため、矢印６４のように電流のシリコン基板１０への漏洩を抑制できる。

実施例２によれば、引き出し領域５２以外の領域において、共振領域５０の外周は下部電極１２により規定される。これにより、図６（ａ）および図６（ｂ）のように、シリコン基板１０への電流６２の漏れを抑制できる。よって、抵抗率が５０００Ω・ｃｍ^２より小さいシリコン基板１０を用いてもＱ値の低下を抑制できる。さらに、２０００Ω・ｃｍ^２以下のシリコン基板１０を用いてもＱ値の低下を抑制できる。

引き出し領域５２以外の領域５６において、上部電極１６は共振領域５０より大きい。これにより、製造時において下部電極１２と上部電極１６との合わせ位置がずれても共振領域５０の面積を一定に保つことができる。

実施例２においても、図６（ａ）のように引き出し領域５２において一部の電流６２が下部電極１２を介しシリコン基板１０に漏れる。よって、シリコン基板１０の抵抗率は２０００Ω・ｃｍ^２以上が好ましく、５０００Ω・ｃｍ^２以上がより好ましい。

［実施例２の変形例１］
図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例２の変形例１に係る圧電薄膜共振器の平面図である。図７（ａ）に示すように、共振領域５０は楕円形状である。図７（ｂ）に示すように、共振領域５０は五角形状である。下部電極１２の引き出し領域５２以外の領域５６および上部電極１６の引き出し領域５４における共振領域５０の外周は下部電極１２により規定される。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２の変形例１では、引き出し領域５２以外では下部電極１２がシリコン基板１０に接触していない。このため、シリコン基板１０への電流の流入を抑制できる。これによりＱ値を向上できる。実施例２の変形例１のように、共振領域５０の形状は楕円形状または多角形状でもよい。

図８（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図８（ａ）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３１ａと音響インピーダンスの高い膜３１ｂとが交互に設けられている。膜３１ａおよび３１ｂの膜厚は例えばそれぞれほぼλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３１ａと膜３１ｂの積層数は任意に設定できる。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。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、２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がシリコン基板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３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。共振領域５０を含む音響反射層は、空隙３０または音響反射膜３１を含めばよい。

[実施例３の変形例１]
図８（ｂ）は、実施例３の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図８（ｂ）に示すように、シリコン基板１０の上面は平坦であり、シリコン基板１０と下部電極１２との間に空隙３０がドーム状に設けられている。圧電膜１４は下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとを有し、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８が挿入されている。挿入膜２８は共振領域５０の中央領域に設けられておらず、共振領域５０の外周に沿った外周領域に設けられている。挿入膜２８は、例えば酸化シリコン膜であり圧電膜１４の音響インピーダンスより小さい音響インピーダンスを有する。挿入膜２８を設けることで圧電薄膜共振器のＱ値を向上できる。下部電極１２の引き出し領域において、上部圧電膜１４ｂの端面は共振領域５０の輪郭に略一致する。下部圧電膜１４ａの端面は共振領域５０の輪郭より外側に位置する。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例３の変形例１のように、実施例１、２およびその変形例において空隙はドーム状でもよい。下部電極１２と上部電極１６との間に挿入膜２８を設けてもよい。また、圧電膜１４を階段状に設けてもよい。

図９（ａ）は、実施例４に係るフィルタの回路図である。図９（ａ）に示すように、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ３が直列に接続されている。入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の並列共振器Ｐ１およびＰ２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Ｓ３および１または複数の並列共振器Ｐ１およびＰ２の少なくとも１つに実施例１から３およびその変形例の圧電薄膜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４の変形例１］
図９（ｂ）は、実施例４の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図９（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から入力された高周波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から入力された高周波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４のフィルタとすることができる。

マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したが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 シリコン基板
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
３０ 空隙
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２、５４ 引き出し領域
５６ 領域

Claims (4)

1. 抵抗率が５０００Ω・ｃｍ以上かつ８０００Ω・ｃｍ以下のシリコン基板と、
   前記シリコン基板上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極上に設けられた圧電膜と、
   前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と対向する上部電極と、
   を備え、
   前記圧電膜の少なくとも一部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外において前記下部電極と前記シリコン基板とが電気的に接触する圧電薄膜共振器。
2. 前記圧電膜は窒化アルミニウム膜である請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
3. 請求項１または２に記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
4. 請求項３に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。

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