JP7456737B2 - 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、例えば空隙内に突起部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。
携帯電話等の無線端末の高周波回路用に圧電薄膜共振器を有するフィルタやマルチプレクサが用いられている。圧電薄膜共振器は、下部電極、圧電膜および上部電極が積層された積層膜を有している。圧電膜の少なくとも一部を挟み下部電極と上部電極とが対向する領域は弾性波が振動する共振領域である。共振領域内の下部電極の下には弾性波を反射するための空隙が設けられる。空隙は共振領域より大きく設けられている（例えば特許文献１から３）。空隙内の基板上に突起部を設けることが知られている（例えば特許文献２および３）。
特許文献１では、圧電薄膜共振器の特性の向上のため空隙を共振領域より大きく設けている。また、共振領域と空隙とが同じ大きさの場合、合わせずれが生じ共振領域内に空隙と重ならない部分が形成されると、弾性波が基板に漏れる。これにより、圧電薄膜共振器の特性が劣化する。このような理由により、空隙を共振領域より大きく形成する。しかし、空隙の外周と共振領域の外周の間の領域には応力が集中しやすく、圧電膜等の積層膜が変形することがある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、共振領域近傍の変形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平面視において重なる領域で規定される共振領域を形成し、前記共振領域は平面視において前記空隙と重なり前記空隙より小さくなるように設けられた上部電極と、先端が前記共振領域外に位置し、前記空隙内における前記基板上に設けられた突起部と、を備え、前記突起部の少なくとも一部は前記下部電極または前記圧電膜と接触しており、前記突起部の少なくとも一部の先端は、平面視において前記空隙に囲まれていて、前記突起部は、前記共振領域を囲む少なくとも一部の領域に設けられている圧電薄膜共振器である。
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平面視において重なる領域で規定される共振領域を形成し、前記共振領域は平面視において前記空隙と重なり前記空隙より小さくなるように設けられた上部電極と、先端が前記共振領域外に位置し、前記空隙内における前記基板上に設けられた突起部と、を備え、前記突起部の少なくとも一部は前記下部電極または前記圧電膜と接触しており、前記突起部の少なくとも一部の先端は、平面視において前記空隙に囲まれていて、前記突起部は、前記上部電極が前記共振領域から引き出される領域に設けられている圧電薄膜共振器である。
上記構成において、前記基板の表面は略平面であり、前記下部電極は、前記基板から前記空隙を介し上方に膨らむ構成とすることができる。
上記構成において、前記空隙は前記基板の表面に設けられた凹部により形成され、前記突起部の先端は前記基板の表面と略同一平面に位置する構成とすることができる。
上記構成において、前記空隙は前記基板の表面に設けられた凹部により形成され、前記突起部の先端は前記基板の表面と略同一平面に位置する構成とすることができる。
上記構成において、前記空隙内における前記基板上に設けられた前記突起部の先端は、全て前記共振領域外に位置する構成とすることができる。
上記構成において、前記突起部における前記先端の平面視における面積は前記基板側の前記突起部における平面視における構成とすることができる。
上記構成において、前記突起部は前記基板の一部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。
上記構成において、複数の前記圧電薄膜共振器を含み、前記複数の圧電薄膜共振器の各々の空隙を互いに接続する空隙と、前記接続する空隙上に前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極の少なくとも１つの層が設けられ、前記接続する空隙内に前記突起部の少なくとも一部が設けられている構成とすることができる。
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、共振領域近傍の変形を抑制することを目的とする。
以下、図面を参照し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、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１（ａ）は、主に下部電極１２、圧電膜１４、上部電極１６、突起部２０および空隙３０を図示している。
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、例えばサファイア基板である基板１０上に、下部電極１２が設けられている。基板１０の上面に凹部からなる空隙３０が形成されている。基板１０および空隙３０上に下部電極１２が設けられている。下部電極１２は例えば基板１０側からクロム（Ｃｒ）膜およびルテニウム（Ｒｕ）膜である。
下部電極１２上に、圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は、例えばＣ軸配向性を有する窒化アルミニウムを主成分とする。圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。上部電極１６は例えば圧電膜１４側からルテニウム膜およびクロム膜である。積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６を含む。
共振領域５０は、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とが平面視において重なる領域で規定される。共振領域５０の平面形状は例えば楕円形状である。共振領域５０内の積層膜１８には厚み縦振動モードの弾性波が共振する。平面視において共振領域５０は空隙３０に重なり、空隙３０は共振領域５０より大きい。共振領域５０の外周と空隙３０の外周との間は外周領域５２である。空隙３０内に突起部２０が設けられている。突起部２０の先端（上端）は外周領域５２に位置する。先端が共振領域５０内に位置する突起部２０は設けられていない。突起部２０は例えば円錐状であり、共振領域５０を囲むように設けられている。
下部電極１２には平面方向に伸びる凸部３４が設けられている。凸部３４の先端に孔３５が設けられている。孔３５は基板１０と凸部３４の間に設けられた導入路３３に通じている。導入路３３は空隙３０と通じている。孔３５および導入路３３は犠牲層をエッチングするときにエッチング液を導入する。
圧電膜１４には挿入膜が挿入されていてもよい。挿入膜は、例えば酸化シリコン膜のように圧電膜１４よりヤング率の小さい材料および／または弾性定数の温度係数の符号が圧電膜１４の弾性定数の温度係数の符号と反対の材料である。共振領域５０内の上部電極１６上に周波数調整膜および／または保護膜が設けられていてもよい。周波数調整膜および／または保護膜は、例えば酸化シリコン膜または窒化シリコン膜等の絶縁膜である。
基板１０としては、サファイア基板以外にシリコン基板、アルミナ基板、スピネル基板、石英基板、水晶基板、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、ルテニウムおよびクロム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）またはイリジウム（Ｉｒ）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の下層をルテニウム、上層を、モリブデンとしてもよい。
圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）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、スカンジウム（Ｓｃ）、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、例えばカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ストロンチウム（Ｓｒ）であり、１２族元素は例えば亜鉛（Ｚｎ）である。４族元素は、例えばチタン、ジルコニウム（Ｚｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）である。５族元素は、例えばタンタル、ニオブ（Ｎｂ）またはバナジウム（Ｖ）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、ボロン（Ｂ）を含んでもよい。
［実施例１の製造方法］
図２（ａ）から図３（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、基板１０を準備する。図２（ｂ）に示すように、基板１０の上面に凹部３１を形成する。凹部３１内に突起部２０を設ける。凹部３１の形成には、例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いる。突起部２０の立体形状は、フォトリソグラフィ法におけるマスクの形状およびエッチング法におけるエッチング条件より適宜選択できる。
図２（ａ）から図３（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、基板１０を準備する。図２（ｂ）に示すように、基板１０の上面に凹部３１を形成する。凹部３１内に突起部２０を設ける。凹部３１の形成には、例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いる。突起部２０の立体形状は、フォトリソグラフィ法におけるマスクの形状およびエッチング法におけるエッチング条件より適宜選択できる。
図２（ｃ）に示すように、基板１０上に犠牲層３８を例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜する。犠牲層３８は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）またはリンケイ酸ガラス（ＰＳＧ：phosphosilicate glass）等である。
図２（ｄ）に示すように、犠牲層３８の上面を例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用い研磨または研削する。これにより、基板１０の上面が露出する。基板１０の上面と犠牲層３８の上面とは略平坦となる。
図２（ｅ）に示すように、犠牲層３８および基板１０上に下部電極１２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、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３（ａ）に示すように、基板１０および下部電極１２上に圧電膜１４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３（ｂ）に示すように、圧電膜１４上に上部電極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。その後、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。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。
図３（ｃ）に示すように、下部電極１２および上部電極１６上に金属層２２を例えば真空蒸着法およびリフトオフ法を用い形成する。金属層２２はパッドおよび／または配線として機能する。金属層２２は例えば下部電極１２および上部電極１６側からチタン層および金層である。
図３（ｄ）に示すように、孔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。これにより、凹部３１に空隙３０が形成される。
［比較例１］
図４は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図４に示すように、比較例１では突起部２０が設けられていない。その他の構成は実施例１と同じである。外周領域５２における積層膜１８は共振領域５０における積層膜１８より層数が少ない。このため、積層膜１８に応力が加わると、外周領域５２における積層膜１８は変形しやすく、例えば空隙３０側に座屈変形する。圧電膜１４はスパッタリング法または真空蒸着法を用い形成されており、結晶が厚さ方向に配向する。下部電極１２の先端付近の領域６０では、圧電膜１４の結晶の配向方向が厚さ方向と異なり例えば斜め方向となる。周波数帯を高周波に設計する場合、積層膜１８の膜厚は薄くなり、構造的な強度が低下する。空隙３０を維持するために積層膜１８は圧縮応力を有して成膜される。しかし、強度を考慮して成膜した積層膜１８の圧縮応力が低い場合、領域６０において積層膜１８が矢印６２のように下方に座屈変形しやすくなる。この座屈変形によって圧電薄膜共振器に構造的な劣化が生じる課題、および／または、積層膜１８が基板１０に触れるスティッキングで圧電薄膜共振器の特性が劣化する課題がある。
図４は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図４に示すように、比較例１では突起部２０が設けられていない。その他の構成は実施例１と同じである。外周領域５２における積層膜１８は共振領域５０における積層膜１８より層数が少ない。このため、積層膜１８に応力が加わると、外周領域５２における積層膜１８は変形しやすく、例えば空隙３０側に座屈変形する。圧電膜１４はスパッタリング法または真空蒸着法を用い形成されており、結晶が厚さ方向に配向する。下部電極１２の先端付近の領域６０では、圧電膜１４の結晶の配向方向が厚さ方向と異なり例えば斜め方向となる。周波数帯を高周波に設計する場合、積層膜１８の膜厚は薄くなり、構造的な強度が低下する。空隙３０を維持するために積層膜１８は圧縮応力を有して成膜される。しかし、強度を考慮して成膜した積層膜１８の圧縮応力が低い場合、領域６０において積層膜１８が矢印６２のように下方に座屈変形しやすくなる。この座屈変形によって圧電薄膜共振器に構造的な劣化が生じる課題、および／または、積層膜１８が基板１０に触れるスティッキングで圧電薄膜共振器の特性が劣化する課題がある。
実施例１のように、突起部２０の先端が外周領域５２に位置する。これにより、外周領域５２において積層膜１８の下方への変形を抑制できる。突起部２０の先端が共振領域５０内に位置すると、共振領域５０において共振する弾性波が基板１０に漏洩する。これにより、損失が大きくなる。よって、突起部２０の先端は共振領域５０内に位置しないことで、損失を抑制できる。
図５（ａ）から図５（ｆ）は、実施例１における突起部の例を示す斜視図である。図５（ａ）に示すように、突起部２０は頂点２０ａと底面２０ｃを有する円錐体状である。図５（ｂ）に示すように、突起部２０は、上面２０ｂと底面２０ｃを有する円錐台状である。図５（ｃ）に示すように、突起部２０は、頂点２０ａと底面２０ｃを有する多角錐体状である。図５（ｄ）に示すように、突起部２０は、上面２０ｂと底面２０ｃを有する多角錐台状である。図５（ａ）から図５（ｄ）のように、突起部２０は、錐体状または錘台状とすることができる。これにより、突起部２０の頂点２０ａおよび上面２０ｂが積層膜１８の下面に接触する面積を小さくできる。よって、積層膜１８が突起部２０に張り付いてしまうスティッキングを抑制できる。突起部２０の下部電極１２または圧電膜１４側の先端は頂点２０ａまたは上面２０ｂに対応する。突起部２０は円柱または多角柱等の柱体状でもよい。
図５（ｅ）に示すように、突起部２０は、断面形状が三角形状の線状であり、三角形状の頂点をつなぐ線２０ｄと底面２０ｃを有する。図５（ｆ）に示すように、突起部２０は断面形状が台形状の線状であり、台形状の上辺をつなぐ上面２０ｅと底面２０ｃを有する。図５（ｅ）および図５（ｆ）のように、突起部２０の頂部は線２０ｄまたは底面２０ｃより小さい上面２０ｅでもよい。これにより、積層膜１８が突起部２０に張り付いてしまうことを抑制できる。突起部２０の下部電極１２または圧電膜１４側の先端は線２０ｄまたは上面２０ｅに対応する。
［実施例１の変形例１］
図６（ａ）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６（ａ）に示すように、突起部２０は外周領域５２のうち下部電極１２が共振領域５０から引き出される領域に設けられ、上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域に設けられていなくてもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図６（ａ）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６（ａ）に示すように、突起部２０は外周領域５２のうち下部電極１２が共振領域５０から引き出される領域に設けられ、上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域に設けられていなくてもよい。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１の変形例２］
図６（ｂ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の平面図である。図６（ｂ）に示すように、突起部２０は外周領域５２のうち上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域に設けられ、下部電極１２が共振領域５０から引き出される領域に設けられていなくてもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図６（ｂ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の平面図である。図６（ｂ）に示すように、突起部２０は外周領域５２のうち上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域に設けられ、下部電極１２が共振領域５０から引き出される領域に設けられていなくてもよい。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１の変形例１および２のように、突起部２０は、外周領域５２のうち積層膜１８が変形しやすい領域に設ければよい。このように、突起部２０は、共振領域５０を囲む少なくとも一部の領域に設ければよい。
［実施例１の変形例３］
図７（ａ）は、実施例１の変形例３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、突起部２０は線状であり、共振領域５０を囲むように設けられている。突起部２０は導入路３３付近に開口部３２を有する。これにより、犠牲層をエッチングするときに、エッチング液が共振領域５０内の犠牲層３８に導入される。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３のように、突起部２０は線状でもよい。
図７（ａ）は、実施例１の変形例３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、突起部２０は線状であり、共振領域５０を囲むように設けられている。突起部２０は導入路３３付近に開口部３２を有する。これにより、犠牲層をエッチングするときに、エッチング液が共振領域５０内の犠牲層３８に導入される。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３のように、突起部２０は線状でもよい。
［実施例１の変形例４］
図７（ｂ）は、実施例１の変形例４に係る圧電薄膜共振器の平面図である。図７（ｂ）に示すように、共振領域５０の平面形状は四角形である。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４のように、共振領域５０の平面形状は多角形状でもよい。多角形が互いに平行な辺を含まないことで、スプリアスを抑制できる。
図７（ｂ）は、実施例１の変形例４に係る圧電薄膜共振器の平面図である。図７（ｂ）に示すように、共振領域５０の平面形状は四角形である。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４のように、共振領域５０の平面形状は多角形状でもよい。多角形が互いに平行な辺を含まないことで、スプリアスを抑制できる。
[実施例１の変形例５]
図８（ａ）は、実施例１の変形例５に係る圧電薄膜共振器の平面図である、図８（ａ）に示すように、基板１０の上面は略平面である。積層膜１８は上方に膨れ、空隙３０はドーム状に設けられている。ドーム状とは中心が高く周辺に向かうにしたがい高さが低くなる立体形状である。外周領域５２の基板１０の上面に突起部２０が設けられている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図８（ａ）は、実施例１の変形例５に係る圧電薄膜共振器の平面図である、図８（ａ）に示すように、基板１０の上面は略平面である。積層膜１８は上方に膨れ、空隙３０はドーム状に設けられている。ドーム状とは中心が高く周辺に向かうにしたがい高さが低くなる立体形状である。外周領域５２の基板１０の上面に突起部２０が設けられている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
[実施例１の変形例６]
図８（ｂ）は、実施例１の変形例６に係る圧電薄膜共振器の平面図である、図８（ｂ）に示すように、圧電膜１４は下部電極１２上に設けられた下部圧電膜１４ａと下部圧電膜１４ａ上に設けられた上部圧電膜１４ｂとを備えている。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。挿入膜２８は、共振領域５０の中央領域に設けられておらず、中央領域を囲む少なくとも一部の領域に設けられている。
図８（ｂ）は、実施例１の変形例６に係る圧電薄膜共振器の平面図である、図８（ｂ）に示すように、圧電膜１４は下部電極１２上に設けられた下部圧電膜１４ａと下部圧電膜１４ａ上に設けられた上部圧電膜１４ｂとを備えている。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。挿入膜２８は、共振領域５０の中央領域に設けられておらず、中央領域を囲む少なくとも一部の領域に設けられている。
上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域では、空隙３０の外周と共振領域５０の外周（すなわち下部電極１２の外周）とは略一致する。これにより、外周領域５２は形成されない。下部電極１２が共振領域５０から引き出される領域では、空隙３０の外周は共振領域５０の外周（すなわち上部電極１６の外周）より外側に位置している。これにより、外周領域５２が形成される。突起部２０は外周領域５２に設けられている。上部圧電膜１４ｂの端面は上部電極１６の外周と略一致する。下部圧電膜１４ａの端面は上部圧電膜１４ｂの端面より外側に位置している。空隙３０はドーム状に設けられている。
実施例１の変形例５および６のように、基板１０の上面は略平坦であり、積層膜１８が上方に膨らむことにより空隙３０が設けられていてもよい。実施例１の変形例６のように、外周領域５２は共振領域５０を囲む領域の一部にのみ設けられていてもよい。下部電極１２と上部電極１６との間に挿入膜２８が設けられていてもよい。挿入膜２８は共振領域５０全体に設けられていてもよい。圧電膜１４の端面は階段状でもよい。
実施例１およびその変形例１から６において、突起部２０の材料は基板１０と同じ材料（すなわち突起部２０は基板１０の一部）でもよく、基板１０と異なる材料でもよい。突起部２０の材料が基板１０と異なる場合、突起部２０は例えば酸化シリコンまたは窒化シリコン等の絶縁体で形成する。
［比較例２］
比較例２として、実施例１の変形例６と比較し突起部２０を有さない圧電薄膜共振器について、積層膜１８の下面の高さを２次元にてシミュレーションした。図９は、シミュレーションした比較例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図９では、図１から図８（ｂ）と異なり、下部電極１２は共振領域５０から右方向に引き出されており、上部電極１６は共振領域５０から左方向に引き出されている。下部電極１２および上部電極１６上に金属層２２が設けられている。
比較例２として、実施例１の変形例６と比較し突起部２０を有さない圧電薄膜共振器について、積層膜１８の下面の高さを２次元にてシミュレーションした。図９は、シミュレーションした比較例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図９では、図１から図８（ｂ）と異なり、下部電極１２は共振領域５０から右方向に引き出されており、上部電極１６は共振領域５０から左方向に引き出されている。下部電極１２および上部電極１６上に金属層２２が設けられている。
シミュレーション条件は以下である。
基板１０：シリコン基板
下部電極１２：基板１０側から厚さが３９ｎｍのクロム膜および厚さが７７ｎｍのルテニウム膜
下部圧電膜１４ａ：厚さが２４３ｎｍの窒化アルミニウム膜
挿入膜２８：厚さが５３ｎｍの酸化シリコン膜
上部圧電膜１４ｂ：厚さが２４３ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６：圧電膜１４側から厚さが９３ｎｍのルテニウム膜および厚さが１２ｎｍクロム膜
金属層２２：基板１０側から厚さが１００ｎｍのチタン膜および厚さが５００ｎｍの金膜
上部電極１６上の周波数調整膜：厚さが１９ｎｍの酸化シリコン膜
圧電薄膜共振器の共振周波数：約５ＧＨｚ
下部電極１２の内部応力：－１０００ＭＰａ（圧縮応力）
圧電膜１４の内部応力：０ＭＰａ
上部電極１６の内部応力：０ＭＰａ
外周領域５２の幅Ｗ２：５μｍ
共振領域５０の幅Ｗ１：共振領域５０の平面形状を長軸と短軸の比が７：５の楕円形とし、５ＧＨｚにおけるインピーダンスが５０Ω、６１Ω、６８Ωおよび１００Ωとなる短軸の長さ
基板１０：シリコン基板
下部電極１２：基板１０側から厚さが３９ｎｍのクロム膜および厚さが７７ｎｍのルテニウム膜
下部圧電膜１４ａ：厚さが２４３ｎｍの窒化アルミニウム膜
挿入膜２８：厚さが５３ｎｍの酸化シリコン膜
上部圧電膜１４ｂ：厚さが２４３ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６：圧電膜１４側から厚さが９３ｎｍのルテニウム膜および厚さが１２ｎｍクロム膜
金属層２２：基板１０側から厚さが１００ｎｍのチタン膜および厚さが５００ｎｍの金膜
上部電極１６上の周波数調整膜：厚さが１９ｎｍの酸化シリコン膜
圧電薄膜共振器の共振周波数：約５ＧＨｚ
下部電極１２の内部応力：－１０００ＭＰａ（圧縮応力）
圧電膜１４の内部応力：０ＭＰａ
上部電極１６の内部応力：０ＭＰａ
外周領域５２の幅Ｗ２：５μｍ
共振領域５０の幅Ｗ１：共振領域５０の平面形状を長軸と短軸の比が７：５の楕円形とし、５ＧＨｚにおけるインピーダンスが５０Ω、６１Ω、６８Ωおよび１００Ωとなる短軸の長さ
図１０は、比較例２における位置に対する高さを示す図である。位置は図９における横方向の位置を示し、高さは積層膜１８の下面の高さを示し、応力が加わらないときの積層膜１８の下面の高さを０とする。共振領域５０、外周領域５２および空隙３０は、インピーダンスが６８Ωのときを示している。
図１０に示すように、積層膜１８の下面はドーム状となる。インピーダンスが６８Ωのとき、積層膜１８の下面の高さは外周領域５２で負となり、共振領域５０で正となる。インピーダンスが１００Ωのとき、外周領域５２における積層膜１８の下面の高さはより負となる。このように、インピーダンスが大きくなると（すなわち共振領域５０が小さくなると）、外周領域５２における積層膜１８は下方に変形する。これにより、共振領域５０と外周領域５２との境界付近において、積層膜１８が破損しやすくなる。
上記シミュレーションのように、実施例１およびその変形例において、積層膜１８の内部応力を圧縮応力とすると、外周領域５２において積層膜１８が下方に変形しやすくなる。そこで、外周領域５２に突起部２０を設けることで、積層膜１８が下方に変形することを抑制できる。よって、積層膜１８の破損等を抑制できる。
実施例１およびその変形例によれば、共振領域５０は平面視において空隙３０と重なり空隙３０より小さくなるように設けられている。これにより、特許文献１のように、圧電薄膜共振器の特性を向上できる。また、共振領域５０と空隙３０との合わせずれが生じても、共振領域５０は空隙３０と重なる。これにより、弾性波が基板１０に漏れ圧電薄膜共振器の特性が劣化することを抑制できる。
１または複数の突起部２０は空隙３０と面する基板１０上に設けられ、突起部２０の先端は共振領域５０の外側に位置する。これにより、外周領域５２における積層膜１８の変形を抑制できる。突起部２０の下部電極１２または圧電膜１４側の先端は共振領域５０内に位置しない。これにより、突起部２０を介して共振領域５０内の弾性波が基板１０に漏洩することを抑制できる。よって、圧電薄膜共振器の損失等の特性を向上できる。
空隙３０内における基板１０上に設けられた突起部２０の下部電極１２または圧電膜１４側の先端は、全て共振領域５０外に位置する。すなわち、先端が共振領域５０内に位置する突起部２０は設けられていない。これにより、突起部２０を介して共振領域５０内の弾性波が基板１０に漏洩することをより抑制できる。よって、圧電薄膜共振器の損失等の特性をより向上できる。
共振領域５０と空隙３０との合わせずれが生じた場合にも、突起部２０が位置するのは共振領域５０の周縁の一部であり、弾性波の基板１０への漏洩を非常に小さくできる。
突起部２０における先端の面積は基板１０側（例えば底面）の平面断面積より小さい。これにより、突起部２０の先端に積層膜１８の下面が張り付くことを抑制できる。また、共振領域５０と空隙３０との合わせずれが生じることで突起部２０の一部の先端が共振領域５０内に位置した場合にも、弾性波の基板１０への漏洩を非常に小さくできる。
突起部２０は、共振領域５０を囲む少なくとも一部の領域に設けられている。これにより、共振領域５０を囲む少なくとも一部に設けられた外周領域５２における積層膜１８の変形を抑制できる。
突起部２０の少なくとも一部は積層膜１８（すなわち下部電極１２または圧電膜１４）と接触している。これにより、積層膜１８の下方への変形を抑制できる。
図４の比較例１のように、上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域では、下部電極１２の外周が共振領域５０の外周を規定している。このため、矢印６２のように積層膜１８が下方に座屈変形しやすい。そこで、実施例１の図１（ｂ）のように、突起部２０を上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域に設ける。これにより、積層膜１８の変形を抑制できる。
実施例１およびその変形例１から４のように、空隙３０は基板１０の表面に設けられた凹部３１により形成されていてもよい。このとき、突起部２０の先端は基板１０の表面と略同一平面に位置する。これにより、積層膜１８が基板１０の表面から下方に変形することを抑制できる。
実施例１の変形例５および６のように、基板１０の表面は略平面であり、下部電極１２は、基板１０から空隙３０を介し上方に膨らんでいてもよい。
実施例２は、実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いたフィルタの例である。図１１は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図１１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Ｓ４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からＰ３が並列に接続されている。
図１２（ａ）は、実施例２に係るフィルタの平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１２（ａ）では、突起部２０の図示を省略している。図１２（ｂ）における横方向の長さは図１２（ａ）と対応していない。
図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、基板１０上に直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３が設けられている。直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３では、共振領域５０の外の空隙３０内に突起部２０が設けられている。各共振器に犠牲層をエッチングするための導入路３３が設けられている。実施例２のように、実施例１およびその変形例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。直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３の個数は適宜設定できる。直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器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。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Ｐ３の少なくとも１つの共振器に実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いればよい。
［実施例２の変形例１］
図１３（ａ）は、実施例２の変形例１に係るフィルタの平面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１３（ａ）では、突起部２０の図示を省略している。図１３（ｂ）における横方向の長さは図１３（ａ）と対応していない。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、基板１０上に直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３が設けられている。並列共振器Ｐ１およびＰ３には導入路３３が設けられている。その他の共振器には導入路３３は設けられておらず、隣接する圧電薄膜共振器間を接続する接続部３６が設けられている。
図１３（ａ）は、実施例２の変形例１に係るフィルタの平面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１３（ａ）では、突起部２０の図示を省略している。図１３（ｂ）における横方向の長さは図１３（ａ）と対応していない。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、基板１０上に直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３が設けられている。並列共振器Ｐ１およびＰ３には導入路３３が設けられている。その他の共振器には導入路３３は設けられておらず、隣接する圧電薄膜共振器間を接続する接続部３６が設けられている。
図１４は、実施例２の変形例１における接続部付近の平面図、図１５（ａ）から図１５（ｃ）は、それぞれ図１４のＡ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図およびＣ－Ｃ断面図である。図１４から図１５（ｃ）に示すように、接続部３６は隣接する共振器（例えば直列共振器Ｓ１とＳ２）の空隙３０を接続する空隙３０ａが設けられている。空隙３０ａ内には突起部２０ｆが設けられている。接続部３６の空隙３０ａ上には圧電膜１４および上部電極１６（または下部電極１２）が設けられている。突起部２０の先端は圧電膜１４（または下部電極１２）の下面に接触している。図１５（ａ）および図１５（ｂ）では共振領域５０の外側において上部電極１６が繋がり、下部電極１２が離れた構造となっているが、共振領域５０の外側において上部電極１６が離れており、下部電極１２が繋がっている構造であってもよい。
犠牲層３８をエッチングするときに、図１４の矢印６４のように、直列共振器Ｓ１の空隙３０から直列共振器Ｓ２の空隙３０に接続部３６の空隙３０ａを介しエッチング液が流れる。このように、接続部３６はエッチング液の流路として機能する。接続部３６内の突起部２０ｆは、空隙３０ａ上の圧電膜１４および上部電極１６が潰れることを抑制できる。
実施例２の変形例１によれば、空隙３０ａは複数の共振器の空隙３０を接続する。空隙３０ａ上に下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６の少なくとも１つの層が設けられ、空隙３０ａ内に１または複数の突起部２０の少なくとも一部の突起部２０ｆが設けられている。これにより、接続部３６をエッチング液の流路として設けることができ、かつ突起部２０ｆは下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６の少なくとも１つの層が潰れることを抑制できる。
実施例２のように、各圧電薄膜共振器に導入路３３を設けるとチップ面積が大きくなりフィルタが大型化する。そこで、実施例２の変形例１のように、接続部３６を設け、導入路３３は複数の圧電薄膜共振器のうち一部のみに設ける。これにより、フィルタを小型化できる。また、圧電薄膜共振器同士を近づけることができるため、圧電薄膜共振器間を接続する配線の短縮が可能となる。これにより、オーム損、誘電損を抑制できる。また、配線と他の配線との電磁結合および静電結合を抑制できる。よって、低損失なフィルタを提供できる。
［実施例２の変形例２］
図１６は、実施例２の変形例２に係るデュプレクサの回路図である。図１６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およびその変形例１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。
図１６は、実施例２の変形例２に係るデュプレクサの回路図である。図１６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およびその変形例１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 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
１８ 積層膜
２０、２０ｆ 突起部
２０ａ 頂点
２０ｂ、２０ｅ 上面
２０ｃ 底面
２０ｄ 線
２８ 挿入膜
３６ 接続部
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２ 外周領域
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
１８ 積層膜
２０、２０ｆ 突起部
２０ａ 頂点
２０ｂ、２０ｅ 上面
２０ｃ 底面
２０ｄ 線
２８ 挿入膜
３６ 接続部
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２ 外周領域
Claims (10)
- 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平面視において重なる領域で規定される共振領域を形成し、前記共振領域は平面視において前記空隙と重なり前記空隙より小さくなるように設けられた上部電極と、
先端が前記共振領域外に位置し、前記空隙内における前記基板上に設けられた突起部と、
を備え、
前記突起部の少なくとも一部は前記下部電極または前記圧電膜と接触しており、
前記突起部の少なくとも一部の先端は、平面視において前記空隙に囲まれていて、
前記突起部は、前記共振領域を囲む少なくとも一部の領域に設けられている圧電薄膜共振器。 - 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平面視において重なる領域で規定される共振領域を形成し、前記共振領域は平面視において前記空隙と重なり前記空隙より小さくなるように設けられた上部電極と、
先端が前記共振領域外に位置し、前記空隙内における前記基板上に設けられた突起部と、
を備え、
前記突起部の少なくとも一部は前記下部電極または前記圧電膜と接触しており、
前記突起部の少なくとも一部の先端は、平面視において前記空隙に囲まれていて、
前記突起部は、前記上部電極が前記共振領域から引き出される領域に設けられている圧電薄膜共振器。 - 前記基板の表面は略平面であり、
前記下部電極は、前記基板から前記空隙を介し上方に膨らむ請求項１または２に記載の圧電薄膜共振器。 - 前記空隙は前記基板の表面に設けられた凹部により形成され、
前記突起部の先端は前記基板の表面と略同一平面に位置する請求項１または２に記載の圧電薄膜共振器。 - 前記空隙内における前記基板上に設けられた前記突起部の先端は、全て前記共振領域外に位置する請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記突起部における前記先端の平面視における面積は前記基板側の前記突起部における平面視における断面積より小さい請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
- 前記突起部は前記基板の一部である請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
- 請求項１から７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。
- 複数の前記圧電薄膜共振器を含み、
前記複数の圧電薄膜共振器の各々の空隙を互いに接続する空隙と、前記接続する空隙上に前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極の少なくとも１つの層が設けられ、前記接続する空隙内に前記突起部の少なくとも一部が設けられている請求項８に記載のフィルタ。 - 請求項８または９に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
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| JP2007221588A (ja) | 2006-02-17 | 2007-08-30 | Toshiba Corp | 薄膜圧電共振器及び薄膜圧電共振器の製造方法 |
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