JPWO2007000929A1 - 圧電共振器、圧電フィルタ、それを用いた共用器及び通信機器 - Google Patents

圧電共振器、圧電フィルタ、それを用いた共用器及び通信機器 Download PDF

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宏 中塚
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慶治 大西
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Abstract

共振周波数が異なる３つ以上の圧電共振器を同一基板上に実現する。同一基板１０１上に構成される第１〜第３の圧電共振器１０２ａ〜１０２ｃの第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃを、エッチングされる（窪み１０９及び１１０）面積とエッチングされない面積の割合をそれぞれ異ならせて形成する。

Description

本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮ等の移動体通信の無線回路に用いられる、圧電共振器、圧電フィルタ、共用器及び通信機器に関する。
携帯機器等の電子機器に内蔵される部品は、より小型化及び軽量化されることが要求されている。例えば、携帯機器に使われているフィルタや共用器には、小型であり、かつ周波数特性が精密に調整され、挿入損失が小さいことが要求される。これらの要求を満たすフィルタの１つとして、圧電共振器を用いた圧電フィルタが知られている。
図１１は、従来の圧電共振器の断面図を示している。
図１１において、第１の圧電共振器１１０１及び第２の圧電共振器１１０２は、同一の基板１１０３上に形成されている。第１の圧電共振器１１０１は、基板１１０３に設けられた第１の空洞キャビティ１１０４上に、第２の圧電共振器１１０２は、基板１１０３に設けられた第２の空洞キャビティ１１０５上に、これらを覆うように下電極層１１０６、圧電体層１１０７及び上電極層１１０８が下から順に配置されることで構成される。第１の圧電共振器１１０１に対応する上電極層１１０８の厚さは、第２の圧電共振器１１０２に対応する上電極層１１０８の厚さより薄く加工されている。
第１の圧電共振器１１０１及び第２の圧電共振器１１０２は、それぞれ上電極層１１０８と下電極層１１０６との間に電界をかけることにより、圧電体層１１０７が分極して歪むことで機械的な共振を生み、これを電気的に取り出すことによって共振器として機能する。第１の圧電共振器１１０１及び第２の圧電共振器１１０２の共振周波数は、主に上電極層１１０８、圧電体層１１０７及び下電極層１１０６により構成される振動部の膜厚及びその質量負荷効果により決定される。よって、図１１のように、第１の圧電共振器１１０１に対応する上電極層１１０８の厚さを、第２の圧電共振器１１０２に対応する上電極層１１０８の厚さよりも薄くすることにより、第１の圧電共振器１１０１の共振周波数を第２の圧電共振器１１０２の共振周波数よりも高く設定することが可能となる。
また、第１の圧電共振器１１０１の共振周波数を高く設定するための層厚調整手法としては、図１１に示した第１の圧電共振器１１０１に対応する上電極層１１０８の全体の厚さを薄くする以外に、一部の厚さをまとめて薄くしたり（図１２）、厚さを薄くする部分を複数個に分割したりする手法も考えられる（特許文献１を参照）。
なお、このように圧電共振器の厚みを同一層の積層厚によって異ならせるためには、通常、削り取りたい部分又は残したい部分に対応したマスクを設計して、フォトリソグラフィ技術を用いる（特許文献２を参照）。フォトリソグラフィ技術は、レジスト塗布、マスクを用いた露光、現像、エッチング、及びレジスト除去という工程を順に行う技術である。
特表２００２−５１５６６７号公報 特開２００２−３５９５３４号公報
しかしながら、図１１や図１２に示した従来の構成では、異なる共振周波数の圧電共振器を同一基板に３つ以上形成するためには、周波数調整用に異なる複数のマスクを設計し、フォトリソグラフィの工程を２度以上行う必要がある。これはデバイスの低コスト化に不利である。
それ故に、本発明の目的は、工程を簡略化し、マスクやレジスト等の消費を削減し、デバイスの低コストと高歩留まりを実現し、高Ｑの圧電共振器を実現せしめ、ひいては低損失な圧電フィルタを提供する。
本発明は、圧電共振器に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の圧電共振器は、基板と、基板に載置される振動部と、複数の小面積図形の調整材料を除去するか又は複数の小面積図形以外の調整材料を除去し、除去されない調整材料の単位当たり質量が中心部より外周部が大きくなる形状で、振動部の上に形成された周波数調整層を備える。好ましくは、周波数調整層の調整材料の単位当たり質量が、中心部から外周部に向かって連続的に増加している。
この圧電共振器は、３つ以上を例えばラダー型に接続すれば圧電フィルタを実現することができる。この場合、３つ以上の圧電共振器の周波数調整層は、調整材料の平均質量がそれぞれ異なる。また、このフィルタを送信フィルタ及び受信フィルタに用いて移相回路を加えれば、共用器を構成することができる。さらに、この共用器は通信機器に組み込むことができる。
上記本発明によれば、製造工程を簡略化し、マスクやレジスト等の消費を削減し、デバイスの低コストと高歩留まりを実現することができる。また、高Ｑの圧電共振器を作成することができ、ひいては低損失な圧電フィルタ及び共用器が実現可能となる。
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の上面図 図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の断面図 図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の他の断面図 図３Ａは、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の他の上面図 図３Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の他の上面図 図４は、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の他の上面図 図５Ａは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の上面図 図５Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の断面図 図６Ａは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の特徴を説明する図 図６Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の特徴を説明する図 図６Ｃは、従来の圧電共振器の問題点を説明する図 図７Ａは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の他の上面図 図７Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の他の上面図 図８は、本発明の圧電共振器を用いた圧電フィルタの一例を示す図 図９は、本発明の圧電共振器を用いた共用器の一例を示す図 図１０は、本発明の圧電共振器を用いた通信機器の一例を示す図 図１１は、従来の圧電共振器の断面図 図１２は、従来の圧電共振器の他の断面図
符号の説明
１０１、１１０３ 基板
１０２ａ〜１０２ｃ、５０２ｂ、５０２ｃ、６０２ｂ、６０２ｃ、８０２、８０３ａ、８０３ｂ、８０４、１１０１、１１０２、１２０１ 圧電共振器
１０３ａ〜１０３ｃ、１１０４、１１０５ キャビティ
１０４ａ〜１０４ｃ、１１０６ 下電極層
１０５ａ〜１０５ｃ、１１０７ 圧電体層
１０６ａ〜１０６ｃ、１１０８、１２０８ 上電極層
１０７ａ〜１０７ｃ、５０７ｂ、５０７ｃ、６０７ｂ、６０７ｃ 周波数調整層
１０８、６０８ 絶縁体層
１０９、１１０、５０９、５１０、６０９、６１０ 窪み
８０５ａ、８０５ｂ インダクタ
９０４、９０６、１００４、１００６ フィルタ
９０５ 移相回路
１００２ ベースバンド部
１００３ パワーアンプ（ＰＡ）
１００５ アンテナ
１００７ ＬＮＡ
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の上面図である。図１Ｂは、図１Ａに示した本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器のＡ−Ａ断面図である。
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、第１の実施形態に係る圧電共振器は、３つの圧電共振器１０２ａ〜１０２ｃで構成される。第１の圧電共振器１０２ａは、基板１０１、第１のキャビティ１０３ａ、絶縁体層１０８、第１の下電極層１０４ａ、第１の圧電体層１０５ａ、第１の上電極層１０６ａ、及び第１の周波数調整層１０７ａで構成される。第２の圧電共振器１０２ｂは、基板１０１、第２のキャビティ１０３ｂ、絶縁体層１０８、第２の下電極層１０４ｂ、第２の圧電体層１０５ｂ、第２の上電極層１０６ｂ、及び第２の周波数調整層１０７ｂで構成される。第３の圧電共振器１０２ｃは、基板１０１、第３のキャビティ１０３ｃ、絶縁体層１０８、第３の下電極層１０４ｃ、第３の圧電体層１０５ｃ、第３の上電極層１０６ｃ、及び第３の周波数調整層１０７ｃで構成される。第２の周波数調整層１０７ｂは、複数の窪み１０９を有している。また、第３の周波数調整層１０７ｃは、複数の窪み１１０を有している。
空洞である第１〜第３のキャビティ１０３ａ〜１０３ｃが設けられたシリコンやガラス等からなる基板１０１上に、二酸化珪素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁体層１０８が形成される。絶縁体層１０８上には、第１〜第３のキャビティ１０３ａ〜１０３ｃにそれぞれ対応するように、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、又は白金（Ｐｔ）等からなる、第１〜第３の下電極層１０４ａ〜１０４ｃが形成される。第１〜第３の下電極層１０４ａ〜１０４ｃ上には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、又はニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）等からなる、第１〜第３の圧電体層１０５ａ〜１０５ｃが形成される。第１〜第３の圧電体層１０５ａ〜１０５ｃ上には、モリブデン、アルミニウム、銀、タングステン、又は白金等からなる、第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃが形成される。第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃ上には、二酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、又は酸化亜鉛等からなる、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃが形成されている。
第１〜第３の圧電共振器１０２ａ〜１０２ｃにおいて、第１〜第３の下電極層１０４ａ〜１０４ｃ、第１〜第３の圧電体層１０５ａ〜１０５ｃ、及び第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃは、同一の膜厚構成であり、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃの形状が異なっている。第１の圧電共振器１０２ａの第１の周波数調整層１０７ａは、フォトリソグラフィ技術等で形成される窪み部分が形成されていない。一方、第２の圧電共振器１０２ｂの第２の周波数調整層１０７ｂと第３の圧電共振器１０２ｃの第３の周波数調整層１０７ｃとには、フォトリソグラフィ技術等で窪み１０９及び１１０がそれぞれ形成されている。この例では、第３の周波数調整層１０７ｃよりも第２の周波数調整層１０７ｂの密度（単位体積当たりの質量）が高くなるように、窪み１０９及び１１０が形成されている。なお、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃの形状は、図示した四角形に限られるものではない。
第１〜第３の圧電共振器１０２ａ〜１０２ｃは、それぞれ第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃと第１〜第３の下電極層１０４ａ〜１０４ｃとの間に電界をかけることにより、第１〜第３の圧電体層１０５ａ〜１０５ｃが分極して歪むことで機械的な共振を生み、これを電気的に取り出すことによって共振器として機能する。第１〜第３の圧電共振器１０２ａ〜１０２ｃの共振周波数は、主に第１〜第３の下電極層１０４ａ〜１０４ｃ、第１〜第３の圧電体層１０５ａ〜１０５ｃ、第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃ、及び第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃにより構成される振動部の膜厚及びその質量負荷効果により決定される。各第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃにおける層面積対窪み面積の割合が異なることにより、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃのそれぞれの質量が異なり、結果として第１の圧電共振器１０２ａ→第２の圧電共振器１０２ｂ→第３の圧電共振器１０２ｃの順で共振周波数が高くなる、３つの異なった共振周波数の圧電共振器が同一基板上で実現される。
周波数調整層に窪みを形成するためのフォトリソグラフィ技術は、通常削り取りたい部分又は残したい部分に対応したマスクを設計して、レジスト塗布、マスクを用いた露光、現像、エッチング、及びレジスト除去という工程を順に行う。しかし、本発明のように周波数を異ならせたい圧電共振器の周波数調整層の層面積対窪み面積の割合、つまり各圧電共振器におけるマスク面積の割合を変化させることにより、３種類だけでなく数多くの種類の共振周波数の共振器を形成することができ、プロセス工程の簡略化ひいては歩留まり向上、またデバイスの低コスト化が実現可能である。
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器によれば、製造工程を簡略化し、マスクやレジスト等の消費を削減し、デバイスの低コストと高歩留まりを実現することができる。また、高Ｑの圧電共振器、ひいては低損失な圧電フィルタ及び共用器の実現が可能となる。
なお、上記第１の実施形態では、第１〜第３のキャビティ１０３ａ〜１０３ｃが、基板１０１を貫通する貫通キャビティである場合を示したが、これ以外にも犠牲層を用いた非貫通キャビティとしても構わない。また、基板１０１に設けられたキャビティに代えて、４分の１波長厚みの高インピーダンス層と低インピーダンス層とを交互に配置した音響ミラー層を振動部の下に設けた構成を用いても、同様の効果が得られる。
また、上記第１の実施形態では、窪み１０９及び１１０が、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃを貫通しない形状である場合を示したが、例えば図２に示すように、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃを貫通する形状であっても構わない。貫通する窪みは、全部であっても一部であってもよい。また、窪み１０９及び１１０の大きさ（面積）が同じである場合を示したが、窪み１０９及び１１０の大きさを様々に異ならせてもよい。窪み１０９及び１１０の大きさの異なりは、エッチング深さの異なりとなるため、膜厚の差を生じさせて周波数調整を行うことが可能となる。また、窪み１０９及び１１０の形状が、四角形状である場合を示したが、例えば図３Ａに示すように、円形状、楕円形状、又は多角形状であっても構わない。また、窪み１０９及び１１０を設ける形状は、周波数調整層の形状に合わせる必要はない。特に、窪み１０９及び１１０を設ける形状をキャビティや電極の形状と異ならせることにより、スプリアス（不要振動）を抑圧させることが可能である（図３Ｂ）。また、例えば図４に示すように、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃから窪み１０９及び１１０の部分を削る場合を説明したが、窪み１０９及び１１０に相当する部分を残してもよい。すなわち、削られる部分が格子状の溝となる。
さらに、上記第１の実施形態では、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃを用いて窪み１０９及び１１０を形成する場合を示した。しかし、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃを用いずに、第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃに直接窪みを形成して第１〜第３の圧電共振器１０２ａ〜１０２ｃの共振周波数をそれぞれ調整することも可能である。
（第２の実施形態）
図５Ａは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の上面図である。図５Ｂは、図５Ａに示した本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器のＢ−Ｂ断面図である。
図５Ａ及び図５Ｂにおいて、第２の実施形態に係る圧電共振器は、３つの圧電共振器５０２ａ〜５０２ｃで構成される。第１の圧電共振器５０２ａは、基板１０１、第１のキャビティ１０３ａ、絶縁体層１０８、第１の下電極層１０４ａ、第１の圧電体層１０５ａ、第１の上電極層１０６ａ、及び第１の周波数調整層１０７ａで構成される。第２の圧電共振器５０２ｂは、基板１０１、第２のキャビティ１０３ｂ、絶縁体層１０８、第２の下電極層１０４ｂ、第２の圧電体層１０５ｂ、第２の上電極層１０６ｂ、及び第２の周波数調整層５０７ｂで構成される。第３の圧電共振器５０２ｃは、基板１０１、第３のキャビティ１０３ｃ、絶縁体層１０８、第３の下電極層１０４ｃ、第３の圧電体層１０５ｃ、第３の上電極層１０６ｃ、及び第３の周波数調整層５０７ｃで構成される。第２の周波数調整層５０７ｂは、複数の窪み５０９を有している。また、第３の周波数調整層５０７ｃは、複数の窪み５１０を有している。
図でわかるように、第２の実施形態に係る圧電共振器は、上記第１の実施形態に係る圧電共振器と比べて、第２の周波数調整層５０７ｂ及び第３の周波数調整層５０７ｃの構造が異なる。以下、この異なる部分について第２の実施形態に係る圧電共振器を説明する。
第２の周波数調整層５０７ｂに設けられる窪み（調整材料を除去して形成される小面積図形）５０９及び第３の周波数調整層５０７ｃに設けられる窪み５１０は、周波数調整層の密度、すなわち除去されない調整材料の単位当たりの質量が中心部より外周部の方が大きくなるように形成される。図６Ａに示すように、第２の周波数調整層５０７ｂの質量分布は、複数の窪み５０９によっての単位当たりの質量が違う領域を形成するので、不連続点が生じない質量分布となる。また、図６Ｂに示すように、第３の周波数調整層５０７ｃの質量分布は、複数の窪み５０９を中心部から外周部に向かって連続的に増加させて形成しているので、不連続点が生じない滑らかな質量分布となる。なお、図６Ｃは、図１２に示した不連続点が生じる従来の上電極層の質量分布を示す図である。
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器によれば、周波数調整層の除去されない調整材料の単位当たりの質量が中心部で小さくかつ外周部で大きくなる形状で窪みを形成する。これにより、圧電共振器の外周部は内部に比べ質量負荷が大きくなり、弾性波のエネルギーが圧電体層に閉じ込められ、性能を表すＱ値の高い圧電共振器が実現可能となる。加えて、圧電共振器内部での音響不連続面がなくなり、スプリアス（不要振動）を低減することが可能となる。
なお、周波数調整層に形成する窪みは、除去されない調整材料の単位当たりの質量が中心部で小さくかつ外周部で大きくなるのであれば規則正しく整列させて配置する必要はなく、例えば図７Ａのようにランダムに配置させてもよい。また、図７Ｂに示すように、複数の小面積図形６０９及び６１０以外の調整材料を除去し、除去されない調整材料の単位当たり質量が中心部より外周部が大きくなる形状の周波数調整層６０７ｂ及び６０７ｃを形成しても、同様の効果を得られる。
（圧電共振器を用いた圧電フィルタの一例）
図８は、本発明の圧電共振器を用いた圧電フィルタの一例を示す回路図である。図８に示す圧電フィルタは、直列圧電共振器８０２と、並列圧電共振器８０３ａ及び８０３ｂと、バイパス圧電共振器８０４と、インダクタ８０５ａ及び８０５ｂとで構成される、圧電フィルタである。
直列圧電共振器８０２は、入力端子８０１ａと出力端子８０１ｂとの間に直列接続される。並列圧電共振器８０３ａは、一方電極が入力端子８０１ａと直列圧電共振器８０２との接続点に、他方電極がインダクタ８０５ａの一方端子に、それぞれ接続されている。並列圧電共振器８０３ｂは、一方電極が直列圧電共振器８０２と出力端子８０１ｂとの接続点に、他方電極がインダクタ８０５ｂの一方端子に、それぞれ接続されている。インダクタ８０５ａ及び８０５ｂの他方端子は、それぞれ接地されている。バイパス圧電共振器８０４は、並列圧電共振器８０３ａの他方電極と、並列圧電共振器８０３ｂの他方電極との間に接続されている。
所望のフィルタ特性によって異なるが、基本的には、直列圧電共振器８０２→並列圧電共振器８０３ａ及び８０３ｂ→バイパス圧電共振器８０４の順に共振周波数が低くなるように設定される。並列圧電共振器８０３ａと並列圧電共振器８０３ｂとは、ほぼ同一の共振周波数である。このような圧電フィルタでは、同一基板上に３つの異なる共振周波数の圧電共振器が必要である。よって、最も共振周波数の低いバイパス圧電共振器８０４には第１の圧電共振器１０２ａを、並列圧電共振器８０３ａ及び８０３ｂには第２の圧電共振器１０２ｂを、最も共振周波数の高い直列圧電共振器８０２には第３の圧電共振器１０２ｃを対応させることにより、本発明の有用な効果を発揮できる圧電フィルタを実現することができる。
なお、この圧電フィルタの回路構成は一例であり、段数はこれに限るものではない。また、通常のラダー型やラティス型であっても３種類以上の共振周波数を有する圧電フィルタのいずれにも適用可能であるのは自明である。
（圧電共振器を用いた共用器の一例）
図９は、図８に示した圧電フィルタを用いた共用器の構成例を示す図である。この共用器は、送信フィルタ９０４と、受信フィルタ９０６と、移相回路９０５とからなる。アンテナは、端子９０３に接続される。この送信フィルタ９０４又は受信フィルタ９０６の少なくとも一方に、図８に示した圧電フィルタを用いることにより、本発明の有用な効果を発揮できる共用器を実現することができる。
（圧電共振器を用いた通信機器の一例）
図１０は、図９に示した共用器を用いた通信機器の構成例を示す図である。この通信機器は、ベースバンド部１００２と、パワーアンプ（ＰＡ）１００３と、送信フィルタ１００４と、アンテナ１００５と、受信フィルタ１００６と、ＬＮＡ１００７とからなる。
送信端子１００１に入力された信号は、ベースバンド部１００２を通り、パワーアンプ１００３で増幅され、送信フィルタ１００４でフィルタリングされ、アンテナ１００５から電波送信される。アンテナ１００５から受信された信号は、受信フィルタ１００６でフィルタリングされ、ＬＮＡ１００７で増幅され、ベースバンド部１００２を通って受信端子１００８に伝達される。この送信フィルタ１００４及び受信フィルタ１００６に、図９に示した共用器を用いることにより、本発明の有用な効果を発揮できる通信機器を実現することができる。
本発明の圧電共振器及び圧電フィルタは、小型・低損失特性かつ低コストで実現可能であり、携帯電話や無線ＬＡＮ等の移動体通信端末における無線回路内のフィルタ等として有用である。また、仕様に応じて無線基地局用のフィルタ等の用途にも応用できる。
本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮ等の移動体通信の無線回路に用いられる、圧電共振器、圧電フィルタ、共用器及び通信機器に関する。
携帯機器等の電子機器に内蔵される部品は、より小型化及び軽量化されることが要求されている。例えば、携帯機器に使われているフィルタや共用器には、小型であり、かつ周波数特性が精密に調整され、挿入損失が小さいことが要求される。これらの要求を満たすフィルタの１つとして、圧電共振器を用いた圧電フィルタが知られている。
図１１は、従来の圧電共振器の断面図を示している。
図１１において、第１の圧電共振器１１０１及び第２の圧電共振器１１０２は、同一の基板１１０３上に形成されている。第１の圧電共振器１１０１は、基板１１０３に設けられた第１の空洞キャビティ１１０４上に、第２の圧電共振器１１０２は、基板１１０３に設けられた第２の空洞キャビティ１１０５上に、これらを覆うように下電極層１１０６、圧電体層１１０７及び上電極層１１０８が下から順に配置されることで構成される。第１の圧電共振器１１０１に対応する上電極層１１０８の厚さは、第２の圧電共振器１１０２に対応する上電極層１１０８の厚さより薄く加工されている。
第１の圧電共振器１１０１及び第２の圧電共振器１１０２は、それぞれ上電極層１１０８と下電極層１１０６との間に電界をかけることにより、圧電体層１１０７が分極して歪むことで機械的な共振を生み、これを電気的に取り出すことによって共振器として機能する。第１の圧電共振器１１０１及び第２の圧電共振器１１０２の共振周波数は、主に上電極層１１０８、圧電体層１１０７及び下電極層１１０６により構成される振動部の膜厚及びその質量負荷効果により決定される。よって、図１１のように、第１の圧電共振器１１０１に対応する上電極層１１０８の厚さを、第２の圧電共振器１１０２に対応する上電極層１１０８の厚さよりも薄くすることにより、第１の圧電共振器１１０１の共振周波数を第２の圧電共振器１１０２の共振周波数よりも高く設定することが可能となる。
また、第１の圧電共振器１１０１の共振周波数を高く設定するための層厚調整手法としては、図１１に示した第１の圧電共振器１１０１に対応する上電極層１１０８の全体の厚さを薄くする以外に、一部の厚さをまとめて薄くしたり（図１２）、厚さを薄くする部分を複数個に分割したりする手法も考えられる（特許文献１を参照）。
なお、このように圧電共振器の厚みを同一層の積層厚によって異ならせるためには、通常、削り取りたい部分又は残したい部分に対応したマスクを設計して、フォトリソグラフィ技術を用いる（特許文献２を参照）。フォトリソグラフィ技術は、レジスト塗布、マスクを用いた露光、現像、エッチング、及びレジスト除去という工程を順に行う技術である。
特表２００２−５１５６６７号公報 特開２００２−３５９５３４号公報
しかしながら、図１１や図１２に示した従来の構成では、異なる共振周波数の圧電共振器を同一基板に３つ以上形成するためには、周波数調整用に異なる複数のマスクを設計し、フォトリソグラフィの工程を２度以上行う必要がある。これはデバイスの低コスト化に不利である。
それ故に、本発明の目的は、工程を簡略化し、マスクやレジスト等の消費を削減し、デバイスの低コストと高歩留まりを実現し、高Ｑの圧電共振器を実現せしめ、ひいては低損失な圧電フィルタを提供する。
本発明は、圧電共振器に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の圧電共振器は、基板と、基板に載置される振動部と、複数の小面積図形の調整材料を除去するか又は複数の小面積図形以外の調整材料を除去し、除去されない調整材料の単位当たり質量が中心部より外周部が大きくなる形状で、振動部の上に形成された周波数調整層を備える。好ましくは、周波数調整層の調整材料の単位当たり質量が、中心部から外周部に向かって連続的に増加している。
この圧電共振器は、３つ以上を例えばラダー型に接続すれば圧電フィルタを実現することができる。この場合、３つ以上の圧電共振器の周波数調整層は、調整材料の平均質量がそれぞれ異なる。また、このフィルタを送信フィルタ及び受信フィルタに用いて移相回路を加えれば、共用器を構成することができる。さらに、この共用器は通信機器に組み込むことができる。
上記本発明によれば、製造工程を簡略化し、マスクやレジスト等の消費を削減し、デバイスの低コストと高歩留まりを実現することができる。また、高Ｑの圧電共振器を作成することができ、ひいては低損失な圧電フィルタ及び共用器が実現可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の上面図である。図１Ｂは、図１Ａに示した本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器のＡ−Ａ断面図である。
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、第１の実施形態に係る圧電共振器は、３つの圧電共振器１０２ａ〜１０２ｃで構成される。第１の圧電共振器１０２ａは、基板１０１、第１のキャビティ１０３ａ、絶縁体層１０８、第１の下電極層１０４ａ、第１の圧電体層１０５ａ、第１の上電極層１０６ａ、及び第１の周波数調整層１０７ａで構成される。第２の圧電共振器１０２ｂは、基板１０１、第２のキャビティ１０３ｂ、絶縁体層１０８、第２の下電極層１０４ｂ、第２の圧電体層１０５ｂ、第２の上電極層１０６ｂ、及び第２の周波数調整層１０７ｂで構成される。第３の圧電共振器１０２ｃは、基板１０１、第３のキャビティ１０３ｃ、絶縁体層１０８、第３の下電極層１０４ｃ、第３の圧電体層１０５ｃ、第３の上電極層１０６ｃ、及び第３の周波数調整層１０７ｃで構成される。第２の周波数調整層１０７ｂは、複数の窪み１０９を有している。また、第３の周波数調整層１０７ｃは、複数の窪み１１０を有している。
空洞である第１〜第３のキャビティ１０３ａ〜１０３ｃが設けられたシリコンやガラス等からなる基板１０１上に、二酸化珪素（ＳｉＯ2）や窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）等からなる絶縁体層１０８が形成される。絶縁体層１０８上には、第１〜第３のキャビティ１０３ａ〜１０３ｃにそれぞれ対応するように、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、又は白金（Ｐｔ）等からなる、第１〜第３の下電極層１０４ａ〜１０４ｃが形成される。第１〜第３の下電極層１０４ａ〜１０４ｃ上には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、又はニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3 ）等からなる、第１〜第３の圧電体層１０５ａ〜１０５ｃが形成される。第１〜第３の圧電体層１０５ａ〜１０５ｃ上には、モリブデン、アルミニウム、銀、タングステン、又は白金等からなる、第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃが形成される。第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃ上には、二酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、又は酸化亜鉛等からなる、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃが形成されている。
第１〜第３の圧電共振器１０２ａ〜１０２ｃにおいて、第１〜第３の下電極層１０４ａ〜１０４ｃ、第１〜第３の圧電体層１０５ａ〜１０５ｃ、及び第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃは、同一の膜厚構成であり、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃの形状が異なっている。第１の圧電共振器１０２ａの第１の周波数調整層１０７ａは、フォトリソグラフィ技術等で形成される窪み部分が形成されていない。一方、第２の圧電共振器１０２ｂの第２の周波数調整層１０７ｂと第３の圧電共振器１０２ｃの第３の周波数調整層１０７ｃとには、フォトリソグラフィ技術等で窪み１０９及び１１０がそれぞれ形成されている。この例では、第３の周波数調整層１０７ｃよりも第２の周波数調整層１０７ｂの密度（単位体積当たりの質量）が高くなるように、窪み１０９及び１１０が形成されている。なお、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃの形状は、図示した四角形に限られるものではない。
第１〜第３の圧電共振器１０２ａ〜１０２ｃは、それぞれ第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃと第１〜第３の下電極層１０４ａ〜１０４ｃとの間に電界をかけることにより、第１〜第３の圧電体層１０５ａ〜１０５ｃが分極して歪むことで機械的な共振を生み、これを電気的に取り出すことによって共振器として機能する。第１〜第３の圧電共振器１０２ａ〜１０２ｃの共振周波数は、主に第１〜第３の下電極層１０４ａ〜１０４ｃ、第１〜第３の圧電体層１０５ａ〜１０５ｃ、第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃ、及び第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃにより構成される振動部の膜厚及びその質量負荷効果により決定される。各第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃにおける層面積対窪み面積の割合が異なることにより、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃのそれぞれの質量が異なり、結果として第１の圧電共振器１０２ａ→第２の圧電共振器１０２ｂ→第３の圧電共振器１０２ｃの順で共振周波数が高くなる、３つの異なった共振周波数の圧電共振器が同一基板上で実現される。
周波数調整層に窪みを形成するためのフォトリソグラフィ技術は、通常削り取りたい部分又は残したい部分に対応したマスクを設計して、レジスト塗布、マスクを用いた露光、現像、エッチング、及びレジスト除去という工程を順に行う。しかし、本発明のように周波数を異ならせたい圧電共振器の周波数調整層の層面積対窪み面積の割合、つまり各圧電共振器におけるマスク面積の割合を変化させることにより、３種類だけでなく数多くの種類の共振周波数の共振器を形成することができ、プロセス工程の簡略化ひいては歩留まり向上、またデバイスの低コスト化が実現可能である。
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器によれば、製造工程を簡略化し、マスクやレジスト等の消費を削減し、デバイスの低コストと高歩留まりを実現することができる。また、高Ｑの圧電共振器、ひいては低損失な圧電フィルタ及び共用器の実現が可能となる。
なお、上記第１の実施形態では、第１〜第３のキャビティ１０３ａ〜１０３ｃが、基板１０１を貫通する貫通キャビティである場合を示したが、これ以外にも犠牲層を用いた非貫通キャビティとしても構わない。また、基板１０１に設けられたキャビティに代えて、４分の１波長厚みの高インピーダンス層と低インピーダンス層とを交互に配置した音響ミラー層を振動部の下に設けた構成を用いても、同様の効果が得られる。
また、上記第１の実施形態では、窪み１０９及び１１０が、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃを貫通しない形状である場合を示したが、例えば図２に示すように、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃを貫通する形状であっても構わない。貫通する窪みは、全部であっても一部であってもよい。また、窪み１０９及び１１０の大きさ（面積）が同じである場合を示したが、窪み１０９及び１１０の大きさを様々に異ならせてもよい。窪み１０９及び１１０の大きさの異なりは、エッチング深さの異なりとなるため、膜厚の差を生じさせて周波数調整を行うことが可能となる。また、窪み１０９及び１１０の形状が、四角形状である場合を示したが、例えば図３Ａに示すように、円形状、楕円形状、又は多角形状であっても構わない。また、窪み１０９及び１１０を設ける形状は、周波数調整層の形状に合わせる必要はない。特に、窪み１０９及び１１０を設ける形状をキャビティや電極の形状と異ならせることにより、スプリアス（不要振動）を抑圧させることが可能である（図３Ｂ）。また、例えば図４に示すように、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃから窪み１０９及び１１０の部分を削る場合を説明したが、窪み１０９及び１１０に相当する部分を残してもよい。すなわち、削られる部分が格子状の溝となる。
さらに、上記第１の実施形態では、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃを用いて窪み１０９及び１１０を形成する場合を示した。しかし、第１〜第３の周波数調整層１０７ａ〜１０７ｃを用いずに、第１〜第３の上電極層１０６ａ〜１０６ｃに直接窪みを形成して第１〜第３の圧電共振器１０２ａ〜１０２ｃの共振周波数をそれぞれ調整することも可能である。
（第２の実施形態）
図５Ａは、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の上面図である。図５Ｂは、図５Ａに示した本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器のＢ−Ｂ断面図である。
図５Ａ及び図５Ｂにおいて、第２の実施形態に係る圧電共振器は、３つの圧電共振器５０２ａ〜５０２ｃで構成される。第１の圧電共振器５０２ａは、基板１０１、第１のキャビティ１０３ａ、絶縁体層１０８、第１の下電極層１０４ａ、第１の圧電体層１０５ａ、第１の上電極層１０６ａ、及び第１の周波数調整層１０７ａで構成される。第２の圧電共振器５０２ｂは、基板１０１、第２のキャビティ１０３ｂ、絶縁体層１０８、第２の下電極層１０４ｂ、第２の圧電体層１０５ｂ、第２の上電極層１０６ｂ、及び第２の周波数調整層５０７ｂで構成される。第３の圧電共振器５０２ｃは、基板１０１、第３のキャビティ１０３ｃ、絶縁体層１０８、第３の下電極層１０４ｃ、第３の圧電体層１０５ｃ、第３の上電極層１０６ｃ、及び第３の周波数調整層５０７ｃで構成される。第２の周波数調整層５０７ｂは、複数の窪み５０９を有している。また、第３の周波数調整層５０７ｃは、複数の窪み５１０を有している。
図でわかるように、第２の実施形態に係る圧電共振器は、上記第１の実施形態に係る圧電共振器と比べて、第２の周波数調整層５０７ｂ及び第３の周波数調整層５０７ｃの構造が異なる。以下、この異なる部分について第２の実施形態に係る圧電共振器を説明する。
第２の周波数調整層５０７ｂに設けられる窪み（調整材料を除去して形成される小面積図形）５０９及び第３の周波数調整層５０７ｃに設けられる窪み５１０は、周波数調整層の密度、すなわち除去されない調整材料の単位当たりの質量が中心部より外周部の方が大きくなるように形成される。図６Ａに示すように、第２の周波数調整層５０７ｂの質量分布は、複数の窪み５０９によっての単位当たりの質量が違う領域を形成するので、不連続点が生じない質量分布となる。また、図６Ｂに示すように、第３の周波数調整層５０７ｃの質量分布は、複数の窪み５０９を中心部から外周部に向かって連続的に増加させて形成しているので、不連続点が生じない滑らかな質量分布となる。なお、図６Ｃは、図１２に示した不連続点が生じる従来の上電極層の質量分布を示す図である。
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器によれば、周波数調整層の除去されない調整材料の単位当たりの質量が中心部で小さくかつ外周部で大きくなる形状で窪みを形成する。これにより、圧電共振器の外周部は内部に比べ質量負荷が大きくなり、弾性波のエネルギーが圧電体層に閉じ込められ、性能を表すＱ値の高い圧電共振器が実現可能となる。加えて、圧電共振器内部での音響不連続面がなくなり、スプリアス（不要振動）を低減することが可能となる。
なお、周波数調整層に形成する窪みは、除去されない調整材料の単位当たりの質量が中心部で小さくかつ外周部で大きくなるのであれば規則正しく整列させて配置する必要はなく、例えば図７Ａのようにランダムに配置させてもよい。また、図７Ｂに示すように、複数の小面積図形６０９及び６１０以外の調整材料を除去し、除去されない調整材料の単位当たり質量が中心部より外周部が大きくなる形状の周波数調整層６０７ｂ及び６０７ｃを形成しても、同様の効果を得られる。
（圧電共振器を用いた圧電フィルタの一例）
図８は、本発明の圧電共振器を用いた圧電フィルタの一例を示す回路図である。図８に示す圧電フィルタは、直列圧電共振器８０２と、並列圧電共振器８０３ａ及び８０３ｂと、バイパス圧電共振器８０４と、インダクタ８０５ａ及び８０５ｂとで構成される、圧電フィルタである。
直列圧電共振器８０２は、入力端子８０１ａと出力端子８０１ｂとの間に直列接続される。並列圧電共振器８０３ａは、一方電極が入力端子８０１ａと直列圧電共振器８０２との接続点に、他方電極がインダクタ８０５ａの一方端子に、それぞれ接続されている。並列圧電共振器８０３ｂは、一方電極が直列圧電共振器８０２と出力端子８０１ｂとの接続点に、他方電極がインダクタ８０５ｂの一方端子に、それぞれ接続されている。インダクタ８０５ａ及び８０５ｂの他方端子は、それぞれ接地されている。バイパス圧電共振器８０４は、並列圧電共振器８０３ａの他方電極と、並列圧電共振器８０３ｂの他方電極との間に接続されている。
所望のフィルタ特性によって異なるが、基本的には、直列圧電共振器８０２→並列圧電共振器８０３ａ及び８０３ｂ→バイパス圧電共振器８０４の順に共振周波数が低くなるように設定される。並列圧電共振器８０３ａと並列圧電共振器８０３ｂとは、ほぼ同一の共振周波数である。このような圧電フィルタでは、同一基板上に３つの異なる共振周波数の圧電共振器が必要である。よって、最も共振周波数の低いバイパス圧電共振器８０４には第１の圧電共振器１０２ａを、並列圧電共振器８０３ａ及び８０３ｂには第２の圧電共振器１０２ｂを、最も共振周波数の高い直列圧電共振器８０２には第３の圧電共振器１０２ｃを対応させることにより、本発明の有用な効果を発揮できる圧電フィルタを実現することができる。
なお、この圧電フィルタの回路構成は一例であり、段数はこれに限るものではない。また、通常のラダー型やラティス型であっても３種類以上の共振周波数を有する圧電フィルタのいずれにも適用可能であるのは自明である。
（圧電共振器を用いた共用器の一例）
図９は、図８に示した圧電フィルタを用いた共用器の構成例を示す図である。この共用器は、送信フィルタ９０４と、受信フィルタ９０６と、移相回路９０５とからなる。アンテナは、端子９０３に接続される。この送信フィルタ９０４又は受信フィルタ９０６の少なくとも一方に、図８に示した圧電フィルタを用いることにより、本発明の有用な効果を発揮できる共用器を実現することができる。
（圧電共振器を用いた通信機器の一例）
図１０は、図９に示した共用器を用いた通信機器の構成例を示す図である。この通信機器は、ベースバンド部１００２と、パワーアンプ（ＰＡ）１００３と、送信フィルタ１００４と、アンテナ１００５と、受信フィルタ１００６と、ＬＮＡ１００７とからなる。
送信端子１００１に入力された信号は、ベースバンド部１００２を通り、パワーアンプ１００３で増幅され、送信フィルタ１００４でフィルタリングされ、アンテナ１００５から電波送信される。アンテナ１００５から受信された信号は、受信フィルタ１００６でフィルタリングされ、ＬＮＡ１００７で増幅され、ベースバンド部１００２を通って受信端子１００８に伝達される。この送信フィルタ１００４及び受信フィルタ１００６に、図９に示した共用器を用いることにより、本発明の有用な効果を発揮できる通信機器を実現することができる。
本発明の圧電共振器及び圧電フィルタは、小型・低損失特性かつ低コストで実現可能であり、携帯電話や無線ＬＡＮ等の移動体通信端末における無線回路内のフィルタ等として有用である。また、仕様に応じて無線基地局用のフィルタ等の用途にも応用できる。
本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の上面図 本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の断面図 本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の他の断面図 本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の他の上面図 本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の他の上面図 本発明の第１の実施形態に係る圧電共振器の他の上面図 本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の上面図 本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の断面図 本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の特徴を説明する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の特徴を説明する図 従来の圧電共振器の問題点を説明する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の他の上面図 本発明の第２の実施形態に係る圧電共振器の他の上面図 本発明の圧電共振器を用いた圧電フィルタの一例を示す図 本発明の圧電共振器を用いた共用器の一例を示す図 本発明の圧電共振器を用いた通信機器の一例を示す図 従来の圧電共振器の断面図 従来の圧電共振器の他の断面図
符号の説明
１０１、１１０３ 基板
１０２ａ〜１０２ｃ、５０２ｂ、５０２ｃ、６０２ｂ、６０２ｃ、８０２、８０３ａ、８０３ｂ、８０４、１１０１、１１０２、１２０１ 圧電共振器
１０３ａ〜１０３ｃ、１１０４、１１０５ キャビティ
１０４ａ〜１０４ｃ、１１０６ 下電極層
１０５ａ〜１０５ｃ、１１０７ 圧電体層
１０６ａ〜１０６ｃ、１１０８、１２０８ 上電極層
１０７ａ〜１０７ｃ、５０７ｂ、５０７ｃ、６０７ｂ、６０７ｃ 周波数調整層
１０８、６０８ 絶縁体層
１０９、１１０、５０９、５１０、６０９、６１０ 窪み
８０５ａ、８０５ｂ インダクタ
９０４、９０６、１００４、１００６ フィルタ
９０５ 移相回路
１００２ ベースバンド部
１００３ パワーアンプ（ＰＡ）
１００５ アンテナ
１００７ ＬＮＡ

Claims (7)

  1. 基板（１０１）と、
    前記基板（１０１）に載置される振動部（５０２ｂ，５０２ｃ）と、
    複数の小面積図形（５０９，５１０）の調整材料を除去し、除去されない調整材料の単位当たり質量が中心部より外周部が大きくなる形状で、前記振動部（１０２ｂ，１０２ｃ）の上に形成された周波数調整層（５０７ｂ，５０７ｃ）とを備える、圧電共振器。
  2. 前記周波数調整層（５０７ｂ，５０７ｃ）の調整材料の単位当たり質量が、中心部から外周部に向かって連続的に増加していることを特徴とする、請求項１に記載の圧電共振器。
  3. 基板（１０１）と、
    前記基板（１０１）に載置される振動部（６０２ｂ，６０２ｃ）と、
    複数の小面積図形（６０９，６１０）以外の調整材料を除去し、除去されない調整材料の単位当たり質量が中心部より外周部が大きくなる形状で、前記振動部（６０２ｂ，６０２ｃ）の上に形成された周波数調整層（５０７ｂ，５０７ｃ）とを備える、圧電共振器。
  4. 前記周波数調整層（６０７ｂ，６０７ｃ）の調整材料の単位当たり質量が、中心部から外周部に向かって連続的に増加していることを特徴とする、請求項３に記載の圧電共振器。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の圧電共振器を、同一基板上に３つ以上接続して構成された圧電フィルタであって、
    前記３つ以上の圧電共振器の前記周波数調整層は、調整材料の平均質量がそれぞれ異なることを特徴とする、圧電フィルタ。
  6. 送信フィルタ及び受信フィルタを備えた共用器であって、
    請求項５に記載の圧電フィルタを、前記送信フィルタ又は前記受信フィルタの少なくとも一方に備える、共用器。
  7. アンテナ、送信装置及び受信装置を備えた通信機器であって、
    請求項５又は６に記載の圧電フィルタ又は共用器を、前記アンテナと前記送信装置及び前記受信装置との接続部分、又は前記送信装置及び前記受信装置の少なくとも一方に備える、通信機器。
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