JPWO2009013938A1 - 圧電共振子及び圧電フィルタ装置 - Google Patents

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Abstract

圧電薄膜の面方向に沿う不要振動によるスプリアスがなく、挿入損失の増大を図り得る圧電フィルタ装置を得る。相対的に音響インピーダンスが低い材料からなる第1の音響インピーダンス層5a〜5cと、相対的に音響インピーダンスが高い材料からなる第2の音響インピーダンス層5d,5eとを有する音響反射層5と、前記音響反射層5上に設けられた薄膜積層体6とを備え、薄膜積層体6が、圧電薄膜9と、第1の電極10と、第1の電極10よりも大きな第2の電極11とを有し、第2の電極11が前記音響反射層5上に形成されており、圧電振動部の外側の領域の少なくとも一部において、前記第1の電極10の周囲に設けられた質量付加膜14をさらに備え、前記第2の電極11が、平面視した際に、圧電振動部を超えて質量付加膜14が設けられている領域に至るように形成されている、圧電共振子3。

Description

本発明は、例えば、発振子や帯域フィルタになどに用いられている圧電共振子及び圧電フィルタ装置に関し、より詳細には、圧電薄膜と圧電薄膜を挟持する第1,第2の電極とを有する薄膜積層体が基板上に形成された構造を備えた圧電共振子及び圧電フィルタ装置に関する。
従来、圧電薄膜を用いて構成された薄い圧電振動部を有する圧電共振子や圧電フィルタ装置が知られている。
例えば、下記の特許文献1には、図25に示す圧電フィルタが開示されている。圧電フィルタ501では、支持基板502の上面に凹部502a,502bが形成されている。凹部502aが形成されている領域において、凹部502a上に、圧電薄膜503と、上部電極504と下部電極505とからなる第1の圧電共振子506が設けられている。
同様に、凹部502b上においても圧電薄膜503と、上部電極507と下部電極508とからなる圧電共振子509が構成されている。
ここでは、圧電共振子506が直列腕共振子となるように、また圧電共振子509が並列腕共振子となるように、圧電共振子506,509が電気的に接続され、ラダー型回路構成の圧電フィルタ501が構成されている。また、直列腕共振子と並列腕共振子との共振周波数の差を設けるために、一方の圧電共振子506の下部電極505の厚みと、他方の圧電共振子509の下部電極508の厚みとが異ならされている。
他方、下記の特許文献2には、バルク波を利用したBAW共振器に、音響インピーダンスが相対的に低い材料からなる層と、音響インピーダンスが相対的に高い材料からなる層とを積層してなる音響反射器が組み合わされた構造が開示されている。ここでは、BAW共振器から漏洩した横波を音響反射器により反射させ、共振周波数における縦波の反射率と横波の反射率とを近づけることにより、共振周波数における特性の向上が図られている。
特開2002−299980号公報 特開2004−159339号公報
特許文献1に記載のような圧電薄膜を用いた薄膜積層体を有する圧電共振子では、厚みが比較的厚い圧電板を用いた場合に比べて、共振子周波数を高めることができる。従って、厚み縦振動モードを利用して、より高い周波数領域で用いる圧電フィルタ装置を構成することができる。
しかしながら、厚み縦振動モード以外に、圧電薄膜503の面方向に伝搬するLamb波によるスプリアスが現れがちであった。そのため、良好な共振特性やフィルタ特性が得ることができないことがあった。
なお、特許文献2には、上記圧電フィルタ501とは全く異なり、バルク波を利用したBAW共振器が開示されているにすぎない。ここでは、BAW共振器において利用するバルク波の共振周波数における特性を高めるために、共振周波数における縦波の反射率と横波の反射率とを近づけるように、上記音響反射器が組み合わされている。
本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、比較的薄い圧電薄膜を用いて、より高い周波数領域で使用することができるだけでなく、圧電薄膜の面方向に伝搬するモードのスプリアスによる特性の劣化が生じ難い、圧電共振子及び圧電フィルタ装置を提供することにある。
本発明によれば、第1,第2の主面を有する基板と、前記基板の前記第1の主面上に設けられており、相対的に音響インピーダンスが低い材料からなる第1の音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが高い材料からなる第2の音響インピーダンス層とを有する音響反射層と、前記音響反射層上に設けられた薄膜積層体とを備え、前記薄膜積層体が、第1,第2の主面を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の第1の主面上に形成された第1の電極と、前記圧電薄膜の第2の主面上に形成されており、第1の電極よりも大きな第2の電極とを有し、第2の電極が前記音響反射層上に形成されており、前記第1,第2の電極が圧電薄膜を介して重なり合っている部分により圧電振動部が構成されており、前記薄膜積層体において、前記圧電振動部の外側の領域の少なくとも一部において、前記第1の電極の周囲に設けられた質量付加膜をさらに備え、前記第2の電極が、平面視した際に、前記圧電振動部を超えて前記質量付加膜が設けられている領域に至るように形成されている、圧電共振子が提供される。
本発明に係る圧電共振子では、上記体1の電極の膜厚と第2の電極の膜厚とが、等しくともよく、異なっていてもよい。また、第2の電極の膜厚が、第1の電極の膜厚よりも厚くされている場合には、第2の電極の配線抵抗を小さくするとこができ、挿入損失を改善することができる。
また、本発明によれば、本発明に従って構成された圧電共振子を複数備え、複数の圧電共振子の前記基板が共通の単一の基板であり、前記複数の圧電共振子がフィルタ回路を構成するように電気的に接続されている、圧電フィルタ装置が提供される。本発明の圧電共振子を用いているので、圧電フィルタ装置の通過帯域内におけるリップルを低減することができ、挿入損失を小さくすることが可能となる。また、圧電フィルタ装置のフィルタ特性において、通過帯域端部におけるフィルタ特性の急峻性、すなわちロールオフが高められ、カットオフ性能が効果的に高められる。
本発明に係る圧電フィルタ装置では、好ましくは、前記複数の圧電共振子のうち、少なくとも1つの圧電共振子が、残りの圧電共振子と異なるように構成されている。この場合には、複数の圧電共振子の周波数特性を異ならせることにより、様々な通過帯域等を容易に形成することができる。
本発明に係る圧電フィルタ装置では、好ましくは、前記少なくとも1つの圧電共振子の共振周波数と、残りの前記圧電共振子の共振周波数とが異なるように、前記少なくとも1つの圧電共振子の第2の電極の膜厚が、残りの前記圧電共振子の第2の電極の膜厚と異ならされている。少なくとも1つの圧電共振子の第2の電極の膜厚と、残りの圧電共振子の第2の電極の膜厚は容易に異ならせる得るため、少なくとも1つの圧電共振子の共振周波数と、残りの圧電共振子の共振周波数とを容易に異ならせることができる。
本発明に係る圧電フィルタ装置では、好ましくは、前記複数の圧電共振子のうち、少なくとも1つの圧電共振子において、第1の電極の膜厚と、第2の電極の膜厚とが異ならされている。また、本発明の圧電フィルタ装置では、好ましくは、前記複数の圧電共振子のうち、前記少なくとも1つの圧電共振子において、第2の電極の膜厚が第1の電極の膜厚よりも厚くされている。この場合には、第2の電極の配線抵抗を小さくするとこができ、挿入損失を改善することができる。
(発明の効果)
本発明に係る圧電共振子では、圧電薄膜を有する薄膜積層体において、エネルギー閉じ込め型の圧電振動部が構成されている。従って、比較的薄い圧電薄膜を用いて圧電振動部が構成されているので、薄型化及び高周波化を図ることができる。
しかも、上記質量付加膜が設けられているため、圧電振動部の周囲に質量が付加される。他方、第2の電極が第1の電極よりも大きくされており、平面視した際に、圧電振動部を超えて質量付加膜が設けられている領域に至っている。従って、質量付加膜と質量付加膜と対向する位置に設けられている第2の電極部分とにより圧電薄膜に質量が付加される。よって、圧電薄膜の面方向を伝搬する振動のスプリアスを効果的に抑圧することができる。
さらに、この発明では、第2の電極側に上記音響反射層が積層されているため、通過帯域内におけるスプリアスをより効果的に抑圧することができるとともに、Q値を高めることが可能となる。
よって、圧電薄膜の面方向を伝搬する振動きスプリアスを効果的に抑圧でき、スプリアスが非常に小さく、良好な共振特性を得ることができるとともに、圧電共振子のQ値を効果的に高めることが可能となる。
図1(a)は、本発明の第1の実施形態の圧電フィルタ装置の模式的正面断面図であり、(b)は、その回路構成を示す回路図である。 図2(a)〜(c)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において質量付加膜の厚みを0、710、830nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図3(a)〜(c)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において質量付加膜の厚みを850、880、940nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図4(a),(b)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において質量付加膜の厚みを880nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図5は、第1の実施形態の第1の圧電共振子部分のみを模式的に示す正面断面図である。 図6(a)〜(d)は、図5に示した圧電共振子部分を製造する工程を説明するための各正面断面図である。 図7(a)〜(d)は、図5に示した圧電共振子部分を製造する工程を説明するための各正面断面図である。 図8(a)〜(d)は、図5に示した圧電共振子部分を製造する工程を説明するための各正面断面図である。 図9(a)は、図5に示した圧電共振子を製造する工程を説明するための側面断面図であり、(b)は、該圧電共振子を製造する工程を説明するための正面断面図である。 図10(a),(b)は、第1の圧電共振子の変形例を説明するための各正面断面図である。 図11(a),(b)は、第1の圧電共振子の変形例を説明するための各正面断面図である。 図12(a),(b)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において質量付加膜の厚みを850nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図13(a)〜(c)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において質量付加膜の厚みを0、460、490nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図14(a)〜(c)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において質量付加膜の厚みを520、580、670nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図15(a),(b)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において質量付加膜の厚みを500nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図16(a),(b)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において質量付加膜の厚みを0、850nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図17(a)〜(f)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において最上層SiO膜の厚みを600、700、750nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図18(a)〜(f)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において最上層SiO膜の厚みを820、850、870nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図19(a)〜(f)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において最上層SiO膜の厚みを900、1000、1100nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図20(a),(b)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において質量付加膜の厚みを500nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図21(a),(b)は、第1の実施形態の第1の圧電共振子において質量付加膜の厚みを500nmと変化させた場合の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。 図22(a)及び(b)は、本発明の圧電フィルタ装置が内蔵されたCSPの各模式的正面断面図である。 図23は、本発明の圧電フィルタ装置が内蔵されたCSPの模式的正面断面図である。 図24(a)及び(b)は、本発明の圧電フィルタ装置が内蔵されたCSPの各模式的正面断面図である。 図25は、従来の圧電フィルタ装置の一例を示す模式的正面断面図である。
符号の説明
1…圧電フィルタ装置
2…基板
2a…上面
2b…下面
3,4…圧電共振子
5…音響反射層
5a〜5c…第1の音響インピーダンス層
5d,5e…第2の音響インピーダンス層
6…薄膜積層体
7…音響反射層
8…薄膜積層体
9…圧電薄膜
9a…上面
9b…下面
10,12…第1の電極
11,13…第2の電極
14,15…質量付加膜
14a…内側端縁
14b…外側端縁
16…保護膜
21,22…タングステン膜
23,24…金属膜
25,26…配線電極
31…圧電共振子
32…質量付加膜
32a…端縁
32b…側面
33…圧電共振子
34…質量付加膜
34a…端縁
34b…側面
35,37…圧電共振子
36,38…質量付加膜
36a,38a…側面
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る圧電フィルタ装置の表面断面図である。圧電フィルタ装置1は、基板2を有する。基板2は、第1の主面としての上面2aと、第2の主面としての下面2bとを有する。
基板2は、Si、GaAs、GaN、SiCなどの半導体材料,;ガラス,;アルミナ、サファイア、水晶、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムといった絶縁性セラミックスもしくは単結晶絶縁性樹脂などの適宜の絶縁性材料からなる。本実施形態では、基板2は高抵抗Si(抵抗率1000Ω・cm以上)からなる。
本実施形態では、単一の基板2を用いて、複数の圧電共振子3,4が形成されている。すなわち、圧電共振子3,4において、基板2は共通化されている。もっとも、圧電共振子3,4は、異なる基板を用いて形成されてもよい。
本実施形態の圧電フィルタ装置1は、ラダー型回路構成を有する圧電フィルタである。周知のように、ラダー型フィルタは、入力端と出力端との間を結ぶ直列腕に挿入された直列腕共振子と、直列腕とグラウンド電位との間を結ぶ並列腕に挿入された並列腕共振子とを有する。圧電フィルタ装置1では、圧電共振子3が直列腕共振子であり、圧電共振子4が並列腕共振子である。圧電共振子3,4は、図示されていない部分で電気的に接続されて、図1(b)に示すラダー型回路を構成している。
図1(a)に示すように、圧電共振子3が構成されている部分では、基板2上に音響反射層5及び薄膜積層体6がこの順序で積層されている。同様に、圧電共振子4が、構成されている部分においても、基板2上に、音響反射層7及び薄膜積層体8がこの順序で積層されている。音響反射層5は、相対的に音響インピーダンスが低い材料からなる第1の音響インピーダンス層5a〜5cと、相対的に音響インピーダンスが高い材料からなる第2の音響インピーダンス層5d,5eとを交互に積層した構造を有する。すなわち、後述の圧電振動部から基板2側に向かって、第1の音響インピーダンス層5a−第2の音響インピーダンス層5d−第1の音響インピーダンス層5b−第2の音響インピーダンス層5e−第1の音響インピーダンス層5cの順序で、音響インピーダンス層5a〜5eが積層されている。
圧電共振子4側においても、音響反射層7が、音響反射層5と同様に形成されている。すなわち、音響反射層7は、後述の圧電振動部から基板2側に向かって、順に、第1の音響インピーダンス層5a−第2の音響インピーダンス層5d−第1の音響インピーダンス層5b−第2の音響インピーダンス層5e−第1の音響インピーダンス層5cの順序で第1,第2の音響インピーダンス層5a〜5eが積層されている。
上記第1の音響インピーダンス層5a〜5c及び第2の音響インピーダンス層5d,5eは、適宜の無機材料または有機材料により形成することができる。
例えば、第1の音響インピーダンス層5a〜5cは、例えば、SiO、SiOCなどの無機材料または商品名:「SU−8」(MICRO CHEM社製)、ベンゾシクロブテン(BCB)、ポリイミドなどのような高分子材料のような有機材料により形成することができる。また、第2の音響インピーダンス層5d,5eは、例えば、W、Ir、PtもしくはMoなどの金属またはAlN、SiN、AlもしくはTaなどの無機化合物、あるいは適宜の有機材料を挙げることができる。特に、第1の音響インピーダンス層5a〜5cを構成する材料として、SiOなどの酸化ケイ素を用い、第2の音響インピーダンス層5d,5eを構成する材料として、WまたはTaを用いることが望ましい。この場合、WとSiOとの間に密着性を高めたり、Wの結晶性を高めるために、Ti層やAlN層などを挿入することがより好ましい。
SiOを用いた場合、温度変化による共振周波数変動を小さくすることができ、望ましい。Wを用いた場合、音響インピーダンスが大きいため音響反射器の層数を少なくすることができ、望ましい。また、Taを用いた場合、絶縁材料のためパターニングを不要とすることができ、望ましい。
なお、本実施形態では、音響反射層5,7では、3層の第1の音響インピーダンス層5a〜5cと、2層の第2の音響インピーダンス層5d,5eとが積層されている。もっとも、音響反射層5,7における音響インピーダンス層の積層数は、5に限らず、少なくとも1層の第1の音響インピーダンス層と、少なくとも1層の第2の音響インピーダンス層とを有しておればよい。好ましくは、音響インピーダンス層の積層数は4層以上であり、5層または7層とすることが望ましい。
いずれにしても、後述の圧電振動部側に相対的に音響インピーダンスが低い第1の音響インピーダンス層が配置されており、該第1の音響インピーダンス層よりも基板側に第2の音響インピーダンス層が配置されていることが必要である。それによって、第1の音響インピーダンス層と第2の音響インピーダンス層との界面において、圧電振動部側から伝搬してきた振動が反射され、音響反射層5,7としての作用を果たし、後述するように、通過帯域内におけるスプリアスの低減及び挿入損失の低減を図ることができる。
音響反射層5,7上に、前述した薄膜積層体6,8が積層されている。薄膜積層体6は、第1の主面としての上面9aと、第2の主面としての下面9bとを有し、分極軸が厚み方向に揃っている圧電薄膜9を備える。本実施形態では、圧電薄膜9は圧電共振子4側にも至っている。すなわち、圧電共振子4においても、薄膜積層体8は、圧電薄膜9を備えている。
圧電薄膜9は、圧電性を示す適宜の圧電単結晶または圧電セラミックスからなる。このような圧電材料としては、AlN、ZnO、LiNbO、LiTaO、KNbOまたはチタン酸ジルコン酸鉛系圧電性セラミックスなどを挙げることができる。
上記圧電薄膜9は、薄膜であり、その膜厚は特に限定されるわけではないが、200nm〜5000nm程度の膜厚とされる。従って、このような薄い圧電薄膜9を用いることにより、高周波で駆動し得る圧電共振子3,4を容易に形成することができる。
圧電共振子3において、圧電薄膜9の上面9a上に第1の電極10が形成されており、下面9b上に第2の電極11が形成されている。電極10,11は、適宜の導電性材料からなる。このような導電性材料としては、Al、Pt、Au、Mo、W、Ti、Cr、Cu、Ru、Ir、Taなどの適宜の金属もしくはこれらの金属の合金を挙げることができる。また、上記電極10,11は、これらの金属もしくは合金からなる金属膜を複数積層した積層金属膜からなるものであってもよい。
本実施形態では、上記第1の電極10と第2の電極11とが、圧電薄膜9を介して重なり合っている部分により圧電振動部が構成されている。すなわち、第1,第2の電極10,11間に交流電界を印加した場合、圧電振動部に電界が印加されて、圧電振動部が励振される。この圧電振動部は、圧電薄膜9の一部に設けられている。従って、エネルギー閉じ込め型の厚み縦振動を利用した共振特性を得ることができる。
本実施形態では、第1の電極10の面積よりも第2の電極11の平面積が大きくされている。但し、引き出し配線部では、第1の電極10と第2の電極11の重なり部は、寄生容量を生じるため、第1の電極10と第2の電極11との重なり部を生じないように、第2の電極11に切欠が設けられている。そして、平面視した場合、第1の電極10が第2の電極11内に位置している。言い換えれば、第2の電極11は、上記圧電振動部の外側の領域に至っている。
圧電共振子4側においても、同様に、第1,第2の電極12,13が形成されている。本実施形態では、圧電共振子3が直列型共振子であり、圧電共振子4が並列型共振子として用いられる。従って、並列型共振子である圧電共振子4の共振周波数が相対的に低くされる必要があるため、第2の電極13の膜厚が、第1の電極5の膜厚よりも厚くされている。圧電共振子4側においても、第2の電極13が、圧電振動部の外側の領域に至るように、第2の電極13が第1の電極12よりも大きくされている。
また、圧電共振子3においては、薄膜積層体6において、圧電振動部の外側の少なくとも一部において、第1の電極10の周囲に質量付加膜14が設けられている。そして、第2の電極11は、平面視した際に、圧電振動部を超えて質量付加膜14が設けられている領域に至るように形成されている。
質量付加膜14は、圧電振動部の外側の領域において、圧電薄膜9に質量を付加し得る適宜の材料からなる。このような材料は、絶縁性材料であってもよく、導電性材料であってもよい。もっとも、本実施形態では、第1の電極10の外周縁に接するように環状の質量付加膜14が形成されているため、本実施形態では、質量付加膜14は絶縁性材料により形成される。このような絶縁性材料としては、AlN、Ta、SiO、SiNなどが挙げられ、質量付加作用に優れているため、AlNが好ましい。
なお、質量付加膜14を、第1の電極10と隔てて形成する場合には、質量付加膜14は、Al、Ptなどの金属もしくは合金から形成されてもよい。その場合、第1の電極10と同じ材料により質量付加膜14を形成することが、製造工程の簡略化を図り得るため、望ましい。
圧電共振子4側においても、質量付加膜15が圧電振動部の外側に領域に少なくとも一部に設けられている。質量付加膜15は、質量付加膜14と同様の材料からなる。好ましくは、圧電フィルタ装置1では、質量付加膜14,15の材料を同一とすることにより、材料の種類の低減及びプロセスの低減を図ることができる。もっとも、質量付加膜14を構成する材料と、質量付加膜15を構成する材料を異ならせてもよい。その場合には、圧電共振子3に適した質量付加効果を果たす材料により質量付加膜14を形成し、圧電共振子4に最適な質量付加作用を果たす材料により質量付加膜15を形成することが望ましい。それによって、各圧電共振子3,4における質量付加膜14,15による質量付加効果の最適化を図ることができる。
質量付加膜14,15を設けることにより、利用する厚み縦振動モードに対してスプリアスとなる圧電薄膜9の面方向に沿う振動によるスプリアスを効果的に抑圧することができる。
なお、上記質量付加膜14,15の平面形状は、環状の形状に限定されず、圧電振動部の外側に連なる外側の領域の少なくとも一部に様々な形状で形成され得る。もっとも、圧電振動部の外側の領域において、均一にLamb波などのスプリアスとなるモードを抑圧するには、圧電振動部の中心に対して等方性を有する形状、例えば、円環状の形状の質量付加膜が望ましい。
また、上記第2の電極11,13は、質量付加膜14,15が設けられている領域の下方に至っている。従って、第2の電極11,13の質量付加膜14,15が設けられている領域の下方に至っている部分による質量付加作用によっても、上記スプリアスが効果的に抑圧される。上記質量付加膜14,15及び第2の電極11,13による質量付加作用の効果については、後ほど、具体的な実験例に基づき説明する。
質量付加膜14の内側端縁14aから外側端縁14bまでの寸法、すなわち環状の質量付加膜14の幅方向寸法は、特に限定されないが、5μm以上の幅とすることが望ましい。
また、本実施形態では、第2の電極11,13が、質量付加膜14,15の下方の領域に至っているが、この場合、質量付加膜14,15が設けられている領域の下方領域の一部にのみ第2の電極11,13が至っていてもよい。
なお、本実施形態では、第1の電極10,12を覆うように保護膜16が形成されている。保護膜16は、電極10,12を覆うだけでなく、質量付加膜14,15をも覆い、すなわち、圧電フィルタ装置1の上面の第1の電極10,12を外部と電気的に接続したり配線するための部分を除いて、全領域を被覆するように形成されている。保護膜16により、下方の構造を保護し、湿気や不純物による汚染を防止することができる。また、保護膜16の形成に際し、保護膜16の材料及び膜厚を調整したり、保護膜16をエッチングすることにより、圧電フィルタ装置1の周波数調整を行うことも可能である。
保護膜16を構成する材料としては、特に限定されないが、SiO、SiNまたはAlNなどを挙げることができ、また、これらの材料からなる複数の膜を積層した積層膜により保護膜16を形成してもよい。また、保護膜16は、電極との短絡を防止し得る限り、金属膜を用いて形成されてもよい。
本実施形態の圧電フィルタ装置1では、上記のように、質量付加膜14,15が圧電振動部の周囲の外側の領域の少なくとも一部に設けられており、かつ第2の電極11,13が、平面視した際に、質量付加膜14,15が設けられている領域に至るように形成されているため、共振特性において圧電薄膜の面方向の沿うモード、例えば、Lamb波によるスプリアスを抑圧でき、Q値を高めることができる。さらに、通過帯域内におけるリップルが低減され、挿入損失を小さくすることが可能となる。また、上記フィルタの通過帯域端部における急峻性が高められて、ロールオフが改善され、カットオフ性能が高められる。これを、具体的な実験例に基づき説明する。
いま、下記の表1に示すように、圧電共振子3,4の膜厚及び材料を設定し、圧電フィルタ装置1を作製した。このようにして、設計共振周波数が圧電共振子3側において1898MHz、圧電共振子4の設計共振周波数が1840MHzであるラダー型の回路構成の圧電フィルタ装置1を得た。
Figure 2009013938
SiOの音響インピーダンスは1.2×1010(g/s・m)であり、Wの音響インピーダンスは10.0×1010(g/s・m)である。
上記のようにして得た圧電フィルタ装置1における圧電共振子3,4の共振特性を、図4(a),(b)において、それぞれインピーダンススミスチャートで示す。インピーダンス−周波数特性ではなく、インピーダンススミスチャートで示したのは、スプリアスが高域側に現れることにより明確に示し得ることによる。図4(a)から明らかなように、圧電共振子3側において、共振特性の高域側にスプリアスがほとんど発生していないことがわかる。同様に、図4(b)から明らかなように、圧電共振子4側においても、スプリアスが高域側にほとんど表れていないことがわかる。
比較のために、質量付加膜14が設けられてないことを除いては、圧電共振子3と同様に形成された比較例の圧電共振子と、質量付加膜14の膜厚を、710nm、830nm、850nm及び圧電共振子3と同様に880nm及び940nmとしたことを除いては、上記と同様にして構成された圧電共振子を用意し、共振特性を測定した。図2(a)〜(c)及び図3(a)〜(c)は、それぞれ、質量付加膜14が0nm、710nm、850nm、880nm及び940nmの場合の圧電共振子の共振特性を示す。図2(a)から明らかなように、質量付加膜14が設けられていない場合、高域側に多数のスプリアスが表れていることがわかる。そして、質量付加膜14の膜厚を、830〜880nmとした場合、スプリアスを効果的に抑制し得ることがわかる。すなわち、質量付加膜14を設けて、第2の電極11を質量付加膜の下方の領域に至るように形成することにより、スプリアスを効果的に抑圧し得ることがわかる。
なお、上記のようなスプリアスが表れると、電極外周部で散乱し、Q値が劣化し得ることとなる。同時に、不要振動のエネルギーが熱エネルギーに変換され、発熱したりし、耐電力性能が低下するおそれがある。これに対して、上記実施形態では、スプリアスを効果的に抑圧し得るので、Q値を高めることができ、耐電力性の低下も生じ難い。
次に上記圧電共振子3,4を有する圧電フィルタ装置1の製造工程の一例を、圧電共振子3を形成されている部分を代表して説明することとする。すなわち、上記圧電フィルタ装置1において、圧電共振子3が構成されている部分を図5に正面断面図で示す。この圧電共振子3を得るにあたっては、図6(a)に示すように、Siからなる基板2を用意する。該基板2上に、熱酸化膜の形成、スパッタリングまたはCVD法により、SiOからなる第1の音響インピーダンス層5cを全面に成膜する。次に、スパッタリングまたはCVD法により、タングステン膜21を全面に形成する。しかる後、図6(b)に示すように、ドライエッチングまたはウエットエッチングにより上記タングステン膜21をパターニングし、第2の音響インピーダンス層5eを形成する。次に、図6(c)ように、SiOからなる第1の音響インピーダンス層5b及びタングステン膜22を上記と同様にして順次形成する。
しかる後、図6(d)に示すように、反応性イオンエッチングまたはウエットエッチングなどのエッチングによりタングステン膜22をパターニングし、第2の音響インピーダンス層5dを形成する。
さらに、図7(a)に示すように、スパッタリングまたはCVD法により、SiOからなる第1の音響インピーダンス層5aを成膜する。そして、図7(b)に示すように、Arプラズマエッチングまたは酸素プラズマエッチングにより、表面を平坦化する。
そして、図7(c)に示すように、スパッタリングまたは蒸着により第2の電極を形成する金属膜23を全面に形成する。
次に、図7(d)に示すように、ドライエッチングもしくはウエットエッチングまたはリフトオフ法により上記金属膜23をパターニングし、第2の電極11を形成する。
しかる後、図8(a)に示すように、スパッタリングにより、AlN膜を体積させ、圧電薄膜9を形成する。
しかる後、図8(b)に示すように、全面に金属膜24をスパッタリングもしくは蒸着等により形成する。そして、図8(c)に示すように、上記金属膜24をパターニングすることにより、第1の電極10を形成する。そして、図8(d)に示すように、第1の電極10の周囲に、スパッタリングによりAlN膜を体積し、質量付加膜14を形成する。
次に、図9(a)において、側面断面図で示すように第1の電極10及び第2の電極11に接続されるように、配線電極25,26をスパッタリングもしくは蒸着等により形成する。図9(a)に示す側面断面図では、上部に設けられている第1の電極10及び下部に設けられている第2の電極11は、圧電振動部を超えて、外側に引き出されており、該外側に引き出されている部分において、配線電極25,26にそれぞれ接続されている。
しかる後、図9(b)正面断面図で示すように酸化シリコンまたは窒化シリコンなどをスパッタリングまたはCVD法により体積し、さらに適宜のRIEもしくはウェットエッチングなどのエッチングによりパターニングし、保護膜16を形成する。このようにして、図5に示した圧電共振子3が得られる。
なお、圧電共振子4も同様の製造工程により得ることができる。図1に示した圧電共振子3及び圧電共振子4では、質量付加膜14,15が、第1の電極10,12の外周縁に接する環状の形状とされていた。このような質量付加膜14,15の形状は適宜変形することができる。
例えば、図10(a)に示す変形例の圧電共振子31では、質量付加膜32の内側の端縁32aが第1の電極10の上面に位置するように質量付加膜32が第1の電極10の上面に乗り上げるように形成されている。また、図10(b)に示す変形例の圧電共振子33では、質量付加膜34の内側の端縁34aが、同じく、第1の電極の上部に位置するように、質量付加膜34の一部が第1の電極10上に乗り上げている。もっとも、内側側面34bは、下方に行くほど圧電振動部の内側に向かうように傾斜されている。図10(a)に示した質量付加膜32では、側面32bは、傾斜面とされておらず、上下方向に延びている。
質量付加膜32,34のように、端縁32a,34aは、第1の電極10上に至っていてもよい。従って、このような構造では、抑制すべき振動が質量付加膜32,34に伝搬し易くなるため、不要振動をより効果的に抑制することができる。また、端縁32a,34aが、電極10の上部に位置していてよいため、フォトリソグラフィーエッチング法による質量付加膜32,34の形成に際し、端縁32a,34aの位置がわずかにずれたとしても特性が変動し難い。
さらに、図10(b)に示すように、質量付加膜34の側面34bが傾斜面とされている場合には、圧電振動部から圧電振動部外に向かって質量付加膜34による質量付加効果が徐々に大きくなっていく。従って、質量付加効果が穏やかに変化することとなる。この場合には、質量付加膜34を形成する際のフォトリソグラフィーエッチング法において、形成位置がわずかにずれたとしても、特性のばらつきが生じ難い。
同様に、図11(a),(b)に示す圧電共振子35,37のように、質量付加膜36,38の内側の側面36b,38bが傾斜面とされている構造を用いた場合においても、同様に、質量付加膜36,38の内側の端縁36a,38aの位置がわずかにずれたとしたとしても、特性は変動し難い。
なお、図11(a),(b)の質量付加膜36,38の内側の端縁36a,38aは、第1の電極10の外側に位置している。すなわち、質量付加膜36では、端縁36aが第1の電極10の外周側縁に接しており、図11(b)では、質量付加膜38の内側の端縁38aは、第1の電極10と隔てられている。
(第2の実施形態)
圧電フィルタ装置1と同様の構造を有し、但し、各部分の材料及び膜厚が下記の表2に示すように構成されている第2の実施形態の圧電フィルタ装置を用意した。なお、第2の実施形態の圧電フィルタ装置は、第1の実施形態の圧電フィルタ装置1と同様の構造を有するため、同一の参照番号を付して適宜説明することとする。
Figure 2009013938
第2の実施形態の圧電フィルタ装置1における第1の圧電共振子3及び第2の圧電共振子4のインピーダンススミスチャートを図12(a),(b)に示す。ここでは、質量付加膜の厚みは、いずれも850nmである。
図12(a),(b)から明らかなように、第1,第2の圧電共振子3,4のいずれにおいても、不要振動に基づくスプリアスがほとんど現れていないことがわかる。
(第3の実施形態)
下記の表3に示すように各部分の材料及び膜厚を変更したことを除いては、第1の実施形態と同様にして、圧電フィルタ装置1を得た。
Figure 2009013938
この場合、直列腕共振子である第1の圧電共振子の設計共振周波数が2539MHzとし、並列腕共振子である第2の圧電共振子の設計共振周波数は2468MHzとした。
また、第1の音響インピーダンス層5a〜5cの膜厚及び第2の音響インピーダンス層5d,5eの膜厚は、それぞれ、λ/4とした。なお、λ/4は、λ/4=v/4fで求められる。vは、音響インピーダンス層の材料の音速であり、SiOでは、おおよそ6208(m/s)、Wでは、おおよそ5221(m/s)であり、fは、おおよそ各圧電共振子の共振周波数である。また、表3から明らかなように、ここでは、第1の電極10,12及び第2の電極11,13を構成する材料として、表3に示す複数の金属膜を積層した積層膜が用いられている。なお、複数の金属膜のうち、Ti膜は、電極の圧電膜への密着性及び金属膜同士の密着性を高めるために設けられた密着層である。
また、第2の電極13の厚みを第2の電極11の厚みと異ならせることにより、第2の圧電共振子4の共振周波数が第1の圧電共振子3の共振周波数と異ならされている。
本実施形態においても、質量付加膜の厚みを、0nm(質量付加膜を形成しない比較例)、460nm、490nm、520nm、580nm、670nmと変化させ、共振特性を測定した。結果を図13(a)〜(c)及び図14(a)〜(c)に示す。図13及び図14から明らかなように、質量付加膜が設けられていない場合に比べて、質量付加膜が設けられている場合、不要振動によるスプリアスが効果的に抑圧され得ることがわかる。特に、質量付加膜であるAlN膜の厚みが490〜580nmの場合には、スプリアスがほとんど表れておらず、より好ましいことがわかる。
図15(a),(b)は、質量付加膜14,15の厚みが500nmである第3の実施形態の圧電フィルタ装置における第1の圧電共振子3及び第2の圧電共振子4の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。図15(a),(b)から明らかなように、本実施形態においても、高周波配置で動作し得る圧電共振子3,4において、所望でないスプリアスを効果的に抑圧し得ることがわかる。
また、本実施形態では、Pt膜と、Al膜とを密着層としてのTi膜とを積層して第1,第2の電極10,12,11,13が形成されているが、第2の電極11,13において、Al膜の厚みのみを異ならせることにより、共振周波数が調整されている。従って、密度の比較的小さいAl膜の厚みを調整し得ることにより共振周波数を調整することができるので、高周波帯で動作する圧電共振子3,4間の周波数差を高精度にかつ容易に調整することができる。
(第4の実施形態)
下記の表4に示すように各部分の材料及び膜厚を設定したことを除いては、第1の実施形態の圧電共振子3と同様にして、圧電共振子3を形成した。
Figure 2009013938
ここでは、1900MHz帯で動作する圧電共振子3として、設計共振周波数が1906MHzである圧電共振子3を作製した。また、電極材料としては、Al膜とW膜とを積層してなる積層金属膜を用いた。なお、本実施形態では、音響反射層の各第1,第2の音響インピーダンス層5a〜5c,5d,5eの膜厚はλ/4からずらした。なお、λ/4は、λ/4=v/4fで求められる。vは、音響インピーダンスの材料の音速であり、SiOでは、820(m/s)、Wでは、690(m/s)であり、fは、各圧電共振子の共振周波数である。
本実施形態の圧電共振子において、質量付加膜を設けなかったことを除いては、上記と同様にして比較例の圧電共振子を形成した。図16(a)は、この比較例の圧電共振子の共振特性を示すインピーダンススミスチャートであり、(b)は、本実施形態の圧電共振子の共振特性を示すインピーダンススミスチャートである。
図16(a)と図16(b)と比較すれば明らかなように、質量付加膜の形成により、スプリアスを効果的に抑圧し得ることがわかる。
また、本実施形態では、第1の音響インピーダンス層5a、すなわち、最上部に位置し、圧電振動部を構成している薄膜積層体と接している音響インピーダンス層5aの厚みが1000nmと、第1の実施形態の場合よりも厚くされている。そのため、振動エネルギーが音響インピーダンス層5aにより多く漏れだして、周波数温度特性を改善することができる。すなわち、SiO膜は正の周波数温度係数を示し、AlN膜は負の周波数温度係数を有するため、正の周波数温度係数を有するSiOからなる第1の音響インピーダンス層5aの膜厚を増加させることにより、全体としての周波数温度係数TCFの絶対値をより一層小さくすることが可能となる。
また、第2の音響インピーダンス層5d、第1の音響インピーダンス層5b、第2の音響インピーダンス層5eの厚みを第1の実施形態の場合に比べて薄くされているため、横波の反射率が高められる。そのため、圧電薄膜9への厚み縦振動のエネルギー閉じ込め効果が高められる。これは、第2の電極11の外周縁や各層間の境界面に入射した弾性波が反射したときに生じる横波が、音響反射層5に入射した際に、より確実に横波が反射されることによる。一般に、固体中を伝搬する横波は、縦波の約1/2の音速を有する。そのため、横波の波長λsは、縦波の波長λpの約半分となる。従って、λ/4音響反射器を作る場合、縦波に対しては、λs/4、横波に対してはλp/4〜λs/8の厚みとすればよい。すなわち、縦波に対しては、λ/4となる厚みよりも薄くすることにより、横波の反射率を高めることができる。
(第5の実施形態)
下記の表5に示す材料及び膜厚に変更したことを除いては、第1の実施形態と同様にして、第1の圧電共振子3を作製した。ここでは、動作周波数1900MHz帯である圧電共振子を作製した。なお、音響反射層の最上部に位置する第1の音響インピーダンス層5aの膜厚X(nm)を600nm〜11000nmの間で種々変更し、複数種の圧電共振子を作製した。さらに、この複数種の実施形態の圧電共振子に対応する比較例として、それぞれ、質量付加膜を設けられていないことを除いては、各実施形態の圧電共振子と同様にして得られた比較例の圧電共振子をそれぞれ作製した。
Figure 2009013938
図17(a),(c),(e)は、それぞれ、質量付加膜が設けられておらず、第1の音響インピーダンス層5aの膜厚が600、700及び750nmである各比較例のインピーダンススミスチャートを示し、(b)(d)(f)は、それぞれ、質量付加膜が設けられており、第1の音響インピーダンス層5aの厚みが、600、700、750nmの場合のインピーダンススミスチャートを示す。
同様に図18(a)(c)及び(e)は、第1の音響インピーダンス層5aの膜厚が820、850及び870nmである比較例の圧電共振子のインピーダンススミスチャートを示し、(b),(d),(f)は、同様に、第1の音響インピーダンス層5aの厚みが、820、850、870nmである質量付加膜を有する実施形態の各圧電共振子のインピーダンススミスチャートを示す。
図19(a),(c),(e)は、第1の音響インピーダンス層5aの膜厚が900、1000、1100nmの場合の比較例の圧電共振子のインピーダンススミスチャートを示し、(b),(d),(f)は、第1の音響インピーダンス層5aの厚みが、900、1000及び1100nmの場合の質量付加膜を有する実施形態の各圧電共振子のインピーダンススミスチャートを示す。
図17(a),(c),(e)、図18(a),(c),(e)及び図19(a),(c),(e)と、対応する図17(b),(d),(f)、図18(b),(d),(f)、図19(b),(d),(f)の特性を比較すれば明らかなように、いずれの場合においても、質量付加膜を設けることにより、スプリアスを効果的に抑圧し得ることがわかる。
また、第1の音響インピーダンス層5aの膜厚が800nm以下の比較例では、図17(a),(c),(e)及び図18(a),(c),(e)に示すように、共振周波数よりも低い周波数にもスプリアスが存在する。これは、高域遮断型分散特性を有することを意味する。
これに対して、第1の音響インピーダンス層5aの厚みが900nm以上の圧電共振子では、共振周波数より低い周波数にスプリアスが存在せず、低域遮断型分散特性を有することがわかる。よって、質量付加膜を設けることにより、高域遮断型及び低域遮断型の双方の音響反射型圧電共振子においてスプリアスを抑制し得ることがわかる。
(第6の実施形態)
2400MHz帯で動作する圧電フィルタ装置1を下記の表6に示す仕様で作製した。
Figure 2009013938
ここでは、第1の圧電共振子の共振周波数、第2の圧電共振子4の共振周波数との差は、第2の電極11,13の厚みを異ならせることにより設定されている。すなわち、Pt膜の厚みを異ならせることにより、両者の共振周波数が異ならされている。
本実施形態の圧電フィルタ装置の圧電共振子3及び圧電共振子4の共振特性を図20(a),(b)のインピーダンススミスチャートによりそれぞれ示す。図20(a),(b)から明らかなように、いずれの圧電共振子3,4においても、不要振動に基づくスプリアスがほとんどみられないことがわかる。このように、下部電極である第2の電極11,13において、積層金属膜のうちPt膜の膜厚を異ならせ、他の膜厚を同一とすることによっても、圧電共振子3,4間の共振周波数差を設定することができる。
(第7の実施形態)
2400MHz帯で動作する圧電フィルタ装置1を、下記の表7に示す仕様で作製した。
Figure 2009013938
ここでは、第1の圧電共振子3と第2の圧電共振子4との共振周波数差は、第2の電極11,13におけるAl膜の厚みを異ならせることにより設定した。
図21(a),(b)は、圧電共振子3及び圧電共振子4の共振特性を示す各インピーダンススミスチャートである。図21(a),(b)から明らかなように、いずれの圧電共振子3,4においても、不要振動によるスプリアスはほとんどみられないことがわかる。本実施形態から明らかなように、下部電極である第2の電極11,13を構成しているAl膜の厚みのみを異ならせて、共振周波数を異ならせてもよい。
(第8の実施形態)
図22(a)は、第1の実施形態の圧電フィルタ装置1を内蔵したCSPを示す模式的正面断面図である。CSP(Chip Size Package)51は、圧電フィルタ装置1上に圧電共振子3,4と対向するように蓋基板52を金属層53a〜53cより接合した構造を有する。ここでは、圧電共振子3,4の上方に振動を妨げないための空隙を隔てて、蓋基板52が圧電共振子3,4の上方に配置されている。蓋基板52の上面52a上には、電極パッド54,55が形成されている。電極パッド54,55上に表面実装するための金属パンプ56,57が接合されている。電極パッド54,55は、蓋基板52内に設けられたビアホール電極58,59に接続されている。ビアホール電極58,59の下端は、蓋基板52の下面52bに露出している。そして、ビアホール電極58,59の下端が、接続電極61,62により圧電共振子3,4に電気的に接続されている。
このように、圧電フィルタ装置1を蓋基板52と組み合わせてCSP51を形成してもよい。
また、図22(b)に示す変形例のCSP71のように、蓋基板72にはビアホール電極及び電極パッドを形成せずに、圧電フィルタ装置1を構成している基板2側にビアホール電極58,59、電極パッド54,55及び半田バンプ56,57を形成してもよい。この場合には、基板2側から表面実装可能なCSP71が得られる。上記蓋基板52,72は、基板2と同じ材料で形成されてもよく、異なる材料で形成されてもよい。好ましくは、同じ材料で形成することが好ましい。
なお、蓋基板52と基板2との金属層53a〜53cによる接合に際しては、金属層53aを蓋基板52に、金属層53cを基板2側に形成しておき、両者を貼り合わせて、金属を拡散させることにより達成され得る。すなわち、金属層53aを構成している金属と金属層53cを構成している金属とを相互に拡散させて、両者の界面に金属層53bを形成する金属拡散法により接合することができる。例えば、金属層53aがSn、金属層53cがCuからなる場合、金属層53bは、両者が拡散して形成されたSn−Cu合金からなることになる。このような拡散接合を行い得る金属の組み合わせとしては、SnとCuの他、AuとAuのように同種金属の組み合せであってもよい。その場合には、金属層53bは、金属層53a,53cと同じ金属からなることとなる。
なお、半田バンプに代えて、ワイヤボンディングによりプリント基板などに実装されるように構成されていてもよい。
また、図23に示すCSP81のように、第1の音響インピーダンス層5a〜5cを圧電共振子3,4が設けられている領域の側方まで配置し、上記ビアホール電極を音響インピーダンス層を貫通するように設けてもよい。
(第9の実施形態)
図24(a)に示す実施形態のCSP91では、図24(a)に示した蓋基板72に代えて、合成樹脂層92が形成されている。合成樹脂層92は、ポリイミド、SU−8またはBCBなどの適宜の合成樹脂からなる。この合成樹脂層92の下方に圧電共振子3,4の振動を妨げない空隙を隔てるように、合成樹脂層92が矩形枠状の合成樹脂層93を介して基板2に接合されている。合成樹脂層93は、ポリイミド、SU−8またはBCBなどの適宜の合成樹脂からなるが、接着剤により構成されてもよい。
その他の点については、CSP91は、図24に示したCSPと同様に構成されている。また、図24(b)に示すように、上方に配置された合成樹脂層92内にビアホール電極58,59を形成してもよい。この場合には、ビアホール電極58,59は、合成樹脂層92と矩形枠状の合成樹脂層93内を貫通するように設けられている。
図24(a),(b)に示すCSP91,94では、CSP構造を形成するのに、合成樹脂層92,93を形成するだけでよいため、コストを低減することができる。

Claims (8)

  1. 第1,第2の主面を有する基板と、
    前記基板の前記第1の主面上に設けられており、相対的に音響インピーダンスが低い材料からなる第1の音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが高い材料からなる第2の音響インピーダンス層とを有する音響反射層と、
    前記音響反射層上に設けられた薄膜積層体とを備え、
    前記薄膜積層体が、第1,第2の主面を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の第1の主面上に形成された第1の電極と、前記圧電薄膜の第2の主面上に形成されており、第1の電極よりも大きな第2の電極とを有し、第2の電極が前記音響反射層上に形成されており、前記第1,第2の電極が圧電薄膜を介して重なり合っている部分により圧電振動部が構成されており、
    前記薄膜積層体において、前記圧電振動部の外側の領域の少なくとも一部において、前記第1の電極の周囲に設けられた質量付加膜をさらに備え、
    前記第2の電極が、平面視した際に、前記圧電振動部を超えて前記質量付加膜が設けられている領域に至るように形成されている、圧電共振子。
  2. 前記第1の電極の膜厚と、前記第2の電極の膜厚とが異なっている、請求項1に記載の圧電共振子。
  3. 前記第2の電極の膜厚が、前記第1の電極の膜厚よりも厚くされている、請求項2に記載の圧電共振子。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電共振子を複数備え、複数の圧電共振子の前記基板が共通の単一の基板であり、前記複数の圧電共振子がフィルタ回路を構成するように電気的に接続されている、圧電フィルタ装置。
  5. 前記複数の圧電共振子のうち、少なくとも1つの圧電共振子が、残りの圧電共振子と異なるように構成されている、請求項4に記載の圧電フィルタ装置。
  6. 前記少なくとも1つの圧電共振子の共振周波数と、残りの前記圧電共振子の共振周波数とが異なるように、前記少なくとも1つの圧電共振子の第2の電極の膜厚が、残りの前記圧電共振子の第2の電極の膜厚と異ならされている、請求項5に記載の圧電フィルタ装置。
  7. 前記複数の圧電共振子のうち、少なくとも1つの圧電共振子において、第1の電極の膜厚と、第2の電極の膜厚とが異ならされている、請求項4〜6のいずれか1項に記載の圧電フィルタ装置。
  8. 前記複数の圧電共振子のうち、前記少なくとも1つの圧電共振子において、第2の電極の膜厚が第1の電極の膜厚よりも厚くされている、請求項7に記載の圧電フィルタ装置。
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