WO2013175985A1 - バルク波共振子 - Google Patents

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圭一 梅田
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    • H03H9/547—Notch filters, e.g. notch BAW or thin film resonator filters

Definitions

  • the bulk wave resonator according to the present invention includes a substrate, a scandium-containing aluminum nitride film, a first electrode, and a second electrode.
  • the scandium-containing aluminum nitride film has a portion fixed to one main surface of the substrate and acoustically separated from the one main surface.
  • the first electrode is provided on one surface of the scandium-containing aluminum nitride film
  • the second electrode is formed on the other surface of the scandium-containing aluminum nitride film.
  • the second electrode overlaps the first electrode with the scandium-containing aluminum nitride film interposed therebetween.
  • the piezoelectric vibrating portion is constituted by the portion where the first electrode and the second electrode overlap. Further, when the total amount of scandium and aluminum in the scandium-containing aluminum nitride film is 100 atomic%, the scandium-containing concentration is in the range of 5 to 43 atomic%.
  • FIGS. 1A and 1B are a front sectional view and a plan view of a bulk acoustic wave resonator according to a first embodiment of the present invention.
  • the bulk wave resonator 1 has a substrate 2.
  • the substrate 2 is made of an appropriate insulator or semiconductor.
  • the substrate 2 is made of a silicon substrate.
  • a ScAlN film 3 is laminated on the substrate 2. That is, the ScAlN film 3 is formed as the scandium-containing aluminum nitride film.
  • the ScAlN film 3 is formed by doping scandium with an aluminum nitride film.
  • the scandium-containing concentration is in the range of 5 to 43 atomic% when the total of Sc and Al is 100 atomic%.
  • the ScAlN film 3 is fixed to the upper surface as the first main surface of the substrate 2. However, the ScAlN film 3 has a portion that is floated from the upper surface of the substrate 2 with a space 6 therebetween. This floating portion is acoustically separated from the substrate 2. In the first embodiment, the ScAlN film 3 is physically floated, but the present invention is not limited to this. For example, the ScAlN film 3 may be formed on the acoustic reflection layer as long as it is acoustically separated.
  • the bulk wave resonator 1 can effectively suppress spurious vibrations in a frequency region below the resonance frequency.
  • the bulk wave resonator 11 has a substrate 32 made of Si.
  • a rectangular frame-shaped frame member layer 33 made of silicon oxide is laminated on the upper surface as the first main surface of the substrate 32.
  • a lower protective layer 34 made of AlN is laminated on the frame member layer 33.
  • the lower protective layer 34 is provided so as to close the space 6.
  • a first electrode 35 made of Mo is formed on the lower protective layer 34.
  • a ScAlN film 36 is stacked on the first electrode 35.
  • a second electrode 37 is formed on the ScAlN film 36.
  • the second electrode 37 is made of Mo.
  • the second electrode 37 is located above the space 6. In other words, the second electrode 37 overlaps the first electrode 35 via the ScAlN film above the space 6. This overlapping portion constitutes a piezoelectric vibration part.
  • An upper protective layer 38 is formed so as to cover the upper surfaces of the first electrode 35 and the ScAlN film 36.
  • the upper protective layer 38 is made of AlN.
  • the lower protective layer and the upper protective layer may be formed of ScAlN as described later.
  • the lower protective layer and the upper protective layer may be SiN or SiO 2 instead of AlN, or may be a laminated structure thereof. Further, if an SiO 2 film is provided between the upper Mo electrode and the piezoelectric ScAlN film or between the lower Mo electrode and the piezoelectric ScAlN film, the frequency temperature characteristic of the resonator is greatly improved.
  • FIG. 7 is a front sectional view of the bulk acoustic wave resonator 21 according to the third embodiment of the present invention.
  • the bulk wave resonator 21 is configured in the same manner as the bulk wave resonator 11 of the second embodiment, except that the mass addition film 39 is stacked on the second electrode 37.
  • the mass addition film 39 has a square frame shape.
  • the mass addition film 39 has a shape along the outer periphery of the piezoelectric vibrating portion.
  • the square frame-shaped mass addition film is not necessarily formed over the entire outer periphery of the piezoelectric vibrating portion. That is, a part of the square frame shape may be cut out.
  • the adhesion and crystallinity with ScAlN can be made higher than with AlN. It is considered that AlN and ScAlN have different interatomic distances in the crystal structure, and in the case of AlN, adhesion and crystallinity are lowered.
  • FIG. 8 shows an impedance Smith chart of the bulk wave resonator 21 of the third embodiment.
  • the Sc content concentration was 35 atomic%, and in the second and third embodiments, it was 37.5 atomic%.
  • the inventors of the present application determined the relationship between the piezoelectric constant d 33 indicating the piezoelectricity of the ScAlN film and the Sc content concentration. The results are shown in FIG.
  • FIG. 22 shows the dispersion characteristics of ScAlN (Sc content 43 atomic%) and AlN plate waves.
  • the X axis indicates the wave number normalized by the film thickness
  • the Y axis indicates the frequency normalized by the resonance frequency.
  • the dispersion characteristics extend almost horizontally from the resonance frequency, and there are almost no modes that propagate below the resonance frequency. Therefore, it can be seen that a spurious mode is less likely to exist below the resonance frequency in a bulk wave resonator using ScAlN.
  • such a difference in dispersion characteristics is considered to be due to the fact that the elastic constant in the thickness direction (c33 direction) is reduced by replacing one of Al in AlN with Sc.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the resonator ratio band (%) and the frequency temperature coefficient TCF (ppm / K) in the bulk wave resonator 1 and the Sc content concentration in ScAlN.
  • the Sc concentration is preferably 24 atomic% or less in order to realize a wide band and good temperature characteristics.
  • the Sc content concentration when the Sc content concentration is 15 atomic% or more, the reflection loss decreases considerably as the Sc content concentration increases. Therefore, preferably, in the present invention, the Sc content concentration is 15 atomic% or more, and in that case, the reflection loss can be greatly increased. Therefore, in the present invention, the Sc-containing concentration needs to be in the range of 5 to 43 atomic% as described above, but more preferably in the range of 15 to 43 atomic%.
  • the Sc content concentration be 24 atomic% or less in order to achieve good temperature characteristics and a broad band. Therefore, preferably, in the present invention, the Sc content concentration is desirably in the range of 15 to 24 atomic%. As a result, the temperature characteristics are good, the bandwidth can be increased, and the reflection loss can be further reduced.
  • the piezoelectric constant d 33 varies greatly with the change in the Sc content concentration when the Sc content concentration is in the range of 40 atomic% to 45 atomic%.
  • the Sc content concentration is less than 40 atomic%, it has a hexagonal structure, whereas when it exceeds 45 atomic%, the phase transitions to a cubic structure.
  • the Sc content concentration is in the range of 40 atom% to 45 atom%, this phase transition occurs, so that the crystal structure is a very unstable region. Therefore, it is believed that d 33 as described above has large variations.
  • the Sc content concentration is desirably 39.5 atomic% or less from FIG. 11, and further, from FIG. 12, the loss factor can be remarkably reduced if it is 37 atomic% or more.
  • the Sc content concentration is more preferably in the range of 37 to 39.5 atomic%. As a result, it is possible to more effectively increase the bandwidth and suppress spurious. In addition, the stability of the quality of the ScAlN film during mass production can be effectively increased.
  • FIG. 14 is a front sectional view showing a bulk wave resonator according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the bulk wave resonator 31 has a substrate 32 made of Si.
  • a rectangular frame-shaped frame member layer 33 made of silicon oxide is laminated on the upper surface as the first main surface of the substrate 32.
  • a lower protective layer 34 made of AlN is laminated on the frame member layer 33.
  • the lower protective layer 34 is provided so as to close the space 6.
  • a first electrode 35 made of Mo is formed on the lower protective layer 34.
  • a ScAlN film 36 is stacked on the first electrode 35.
  • a second electrode 37 is formed on the ScAlN film 36.
  • the second electrode 37 is made of Mo.
  • the second electrode 37 is located above the space 6. In other words, the second electrode 37 overlaps the first electrode 35 via the ScAlN film above the space 6. This overlapping portion constitutes a piezoelectric vibration part.
  • An upper protective layer 38 is formed so as to cover the upper surfaces of the first electrode 35 and the ScAlN film 36.
  • the upper protective layer 38 is made of AlN.
  • AlN for the lower protective layer and the upper protective layer, in the structure of FIG. 12 in the case of using silicon oxide as the sacrificial layer, the vibration part constituted by the electrode / ScAlN piezoelectric film / electrode in the process of etching the sacrificial layer Has a role to protect from hydrofluoric acid. Therefore, from the viewpoint of improving the adhesion of the ScAlN piezoelectric thin film, the lower protective layer may be a laminated body of AlN and ScAlN from the bottom.
  • a square frame-like protruding portion that functions as the mass addition film 37 a is formed on the outer peripheral edge of the second electrode 37 with the same material as the second electrode 37. Therefore, no extra material is required to form the mass addition film. Thus, cost can be reduced.
  • the Sc content concentration of the ScAlN film 36 was 43 atomic%.
  • the film thickness was 970 nm.
  • the thickness of the first electrode 35 and the second electrode 37 was 250 nm.
  • the height of the projecting portion of the square frame functioning as the mass addition film 37a that is, the height projecting from the upper surface of the second electrode 37 is 180 nm, the width W1 is 2 ⁇ m, and the outer shape is 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m. It was a square.
  • a bulk wave resonator of the second comparative example was fabricated in the same manner except that an AlN film was used instead of the ScAlN film 36.
  • FIG. 15 shows an impedance Smith chart of the bulk wave resonator of the second comparative example.
  • FIG. 16 shows an impedance Smith chart of the bulk wave resonator 31 of the present embodiment.
  • spurious can be effectively suppressed in the frequency range equal to or lower than the resonance frequency indicated by A3, and the Q value is hardly deteriorated. I understand that.
  • FIG. 17A is a front sectional view of a bulk acoustic wave resonator according to a fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 17B is a plan view of a second electrode.
  • FIG. 17 (a) the same parts as those shown in FIG. 14 are denoted by the same reference numerals. That is, in the bulk wave resonator 41 shown in FIG. 17A, the mass addition film 37a shown in FIG. 14 is not provided, and the shape of the second electrode 37 is elliptic as shown in FIG. 17B. It is the same except that there is. Therefore, the explanation of the bulk wave resonator 31 is used for the other parts.
  • the piezoelectric vibrating portion in which the second electrode 37 overlaps the first electrode 35 via the ScAlN film 36 has an elliptical planar shape.
  • a bulk wave resonator of a third comparative example using an AlN film instead of the ScAlN film 36 was prepared.
  • FIG. 18 shows an impedance Smith chart of the bulk wave resonator of the third comparative example.
  • FIG. 19 shows an impedance Smith chart of the bulk wave resonator 41 of the present embodiment.
  • spurious vibrations in the frequency range above the resonance frequency are sufficiently suppressed. That is, although the loss increases in the frequency range above the resonance frequency and the Q value slightly deteriorates, it can be seen that spurious can be suppressed also in the frequency range above the resonance frequency. This is presumably because the second electrode does not have a pair of sides parallel to each other, so that spurious can be suppressed over a wide frequency range.
  • fine irregularities are provided around the piezoelectric vibrating portion in the portion where the first electrode 35 and the second electrode 37 overlap. That is, the first electrode 35 and the second electrode 37 are provided with unevenness on a part of the outer peripheral edge so that the piezoelectric vibrating portion has fine unevenness on the outer peripheral edge.
  • the piezoelectric vibrating portion where the first electrode 35 and the second electrode 37 overlap each other is an unequal side rectangle.
  • the portion where the first electrode 35 and the second electrode 37 overlap is an unequal pentagon.
  • the first and second electrodes 35 and 37 are arranged so that the planar shape of the piezoelectric vibrating portion is an octagon other than a regular octagon.
  • the planar shape of the piezoelectric vibrating portion is an octagon other than a regular octagon.
  • spurious can be suppressed over a wider frequency range than in the case of a regular octagon.
  • the bulk wave resonator of the present invention can be used for various applications as a resonator.
  • it can be suitably used for the series arm resonators S1 to S3 and the parallel arm resonators P1 and P2 of the ladder filter shown in FIG. Therefore, according to the present invention, as described above, using the resonator according to the present invention, which has a high Q value and can effectively suppress spurious frequencies in the frequency range below the resonance frequency, It becomes possible to provide a duplexer having the device.

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Abstract

　Ｑ値が高く、共振周波数以下の周波数域におけるスプリアスを抑圧し得るバルク波共振子を提供する。　基板２上に、基板２の上面から音響的に分離されている部分を有するようにスカンジウム含有窒化アルミニウム膜３が積層されており、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜３の一方面に第１の電極４が、他方面に第２の電極５が形成されており、第１の電極４に対し、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜３を介して第２の電極５が重なり合って圧電振動部が構成されており、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜３におけるＳｃとＡｌの合計を１００原子％としたときに、スカンジウム含有濃度が５原子％以上、４３原子％以下の範囲にある、バルク波共振子１。

Description

バルク波共振子
　本発明は、圧電薄膜を伝搬するバルク波を利用したバルク波共振子に関する。
　従来、圧電薄膜を伝搬するバルク波を利用したバルク波共振子が種々提案されている。例えば下記の特許文献１には、圧電シートの第１の面に第１の電極が形成されており、第２の面に第２の電極が形成されている音響共振器フィルタが開示されている。この音響共振器フィルタは、圧電シートを伝搬するバルク波を利用している。特許文献１では、第１の電極と第２の電極とが重なり合っている部分が不規則な多角形形状を有するように構成されている。それによって、横モードによるスプリアスが抑圧されている。
　他方、下記の特許文献２には、スプリアスを抑圧するために、電極上に質量付加膜を形成した圧電薄膜共振子が開示されている。
特開２０００－３３２５６８号公報 ＷＯ２００７／１１９５５６
　特許文献１や特許文献２では、バルク波を利用したバルク波共振子において、スプリアスを抑圧することが可能とされている。しかしながら、特許文献１では、Ｑ値が劣化し、損失が大きくなるという問題があった。また、特許文献２では、共振周波数以上の周波数域に現れるスプリアスを抑圧することができる。しかしながら、共振周波数より低い周波数域におけるスプリアスを抑圧することができなかった。また、特許文献２においてもＱ値が小さくなるという問題があった。
　本発明の目的は、共振周波数以下の周波数域におけるスプリアスを抑圧でき、しかもＱ値が高いバルク波共振子を提供することにある。
　本発明に係るバルク波共振子は、基板と、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜と、第１の電極と、第２の電極とを備える。スカンジウム含有窒化アルミニウム膜は、基板の一方主面に固定されており、かつ該一方主面から音響的に分離されている部分を有する。第１の電極はスカンジウム含有窒化アルミニウム膜の一方面に設けられており、第２の電極はスカンジウム含有窒化アルミニウム膜の他方面に形成されている。第２の電極は、第１の電極とスカンジウム含有窒化アルミニウム膜を介して重なり合っている。本発明では、第１の電極と第２の電極とが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。また、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜におけるスカンジウムとアルミニウムとの合計を１００原子％としたときに、スカンジウム含有濃度は５～４３原子％の範囲にある。
　本発明に係るバルク波共振子のある特定の局面では、前記スカンジウム含有濃度が１５～２４原子％の範囲にある。この場合には、良好な温度特性を得ることができ、かつスプリアスを効果的に抑圧することができる。
　本発明に係るバルク波共振子の他の特定の局面では、前記スカジンウム含有濃度が、３７～３９．５原子％の範囲にある。この場合には、広帯域化を図ることができ、かつスプリアスをより効果的に抑圧することができる。また、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜の量産に際しての膜質の安定化も効果的に図ることができる。
　本発明に係るバルク波共振子の他の特定の局面では、前記圧電振動部の外周部分の少なくとも一部において、前記圧電振動部に質量を付加するための質量付加膜が形成されている。この場合には、共振周波数より高い周波数域におけるスプリアスを抑圧することができる。
　本発明に係るバルク波共振子のさらに他の特定の局面では、前記質量付加膜が前記第２の電極と同じ材料からなる。この場合には、製造工程及びコストの低減を図ることができる。
　本発明に係るバルク波共振子のさらに他の特定の局面では、前記圧電振動部の平面形状が楕円形である。この場合には、横モード共振によるスプリアスを効果的に低減することができる。
　本発明に係るバルク波共振子のさらに別の特定の局面では、前記圧電振動部の平面形状が互いに平行な辺を有しない多角形状である。この場合には、横モード共振によるスプリアスを効果的に抑圧することができる。
　本発明に係るバルク波共振子によれば、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜におけるスカンジウム含有濃度が５原子％～４３原子％の範囲内にあるため、共振周波数以下の周波数域におけるスプリアスを抑圧することができる。しかも、Ｑ値の劣化を抑圧し、損失を小さくすることができる。
図１（ａ）及び図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係るバルク波共振子の正面断面図及び平面図である。 図２は、スカンジウム含有濃度が３５原子％であるＳｃＡｌＮ膜を用いた実施例と、ＡｌＮ膜を用いた第１の比較例のバルク波共振子の共振特性を示す図である。 図３は、スカンジウム含有濃度が３５原子％であるＳｃＡｌＮ膜を用いた実施例と、ＡｌＮ膜を用いた第１の比較例のバルク波共振子の反射特性を示す図である。 図４は、スカンジウム含有濃度が３５原子％であるＳｃＡｌＮ膜を用いた実施例と、ＡｌＮ膜を用いた第１の比較例のバルク波共振子のインピーダンススミスチャートを示す図である。 図５は、本発明の第２の実施形態に係るバルク波共振子の正面断面図である。 図６は、第２の実施形態のバルク波共振子のインピーダンススミスチャートを示す図である。 図７は、本発明の第３の実施形態に係るバルク波共振子の正面断面図である。 図８は、第３の実施形態のバルク波共振子のインピーダンススミスチャートを示す図である。 図９は、スカンジウム含有濃度と圧電定数ｄ３３との関係を示す図である。 図１０は、バルク波共振子を構成した場合に共振子の比帯域及び周波数温度係数ＴＣＦと、Ｓｃ含有濃度との関係を示す図である。 図１１は、スカンジウム含有濃度と圧電定数ｄ３３との関係を示す図である。 図１２は、Ｓｃ含有濃度と損失係数との関係を示す図である。 図１３は、図１２に示した損失係数を決定する区間を説明するためのインピーダンススミスチャートである。 図１４は、本発明の第４の実施形態に係るバルク波共振子を示す正面断面図である。 図１５は、ＡｌＮ膜を用いた第２の比較例のバルク波共振子のインピーダンススミスチャートを示す図である。 図１６は、第４の実施形態に係るバルク波共振子のインピーダンススミスチャートを示す図である。 図１７（ａ）は本発明の第５の実施形態に係るバルク波共振子の正面断面図であり、図１７（ｂ）は第２の電極の平面図である。 図１８は、ＡｌＮ膜を用いた第３の比較例のバルク波共振子のインピーダンススミスチャートを示す図である。 図１９は、第５の実施形態に係るバルク波共振子のインピーダンススミスチャートを示す図である。 図２０（ａ）～図２０（ｄ）は圧電振動部及び電極形状の変形例を説明するための各模式的平面図である。 図２１は、本発明のバルク波共振子が用いられるフィルタ装置の一例を示す回路図である。 図２２は、ＡｌＮ及びＳｃＡｌＮを伝搬する板波の分散特性を示す図である。
　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。
　図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るバルク波共振子の正面断面図及び平面図である。
　バルク波共振子１は、基板２を有する。基板２は、適宜の絶縁体または半導体からなる。本実施形態では基板２はシリコン基板からなる。基板２上に、ＳｃＡｌＮ膜３が積層されている。すなわち、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜としてＳｃＡｌＮ膜３が形成されている。ＳｃＡｌＮ膜３は、窒化アルミニウム膜にスカンジウムをドープすることにより形成されている。スカンジウム含有濃度は、ＳｃとＡｌとの合計を１００原子％としたときに、５～４３原子％の範囲内とされている。
　ＳｃＡｌＮ膜３は、基板２の第１の主面としての上面に固定されている。もっとも、ＳｃＡｌＮ膜３は、空間６を隔てて基板２の上面から浮かされている部分を有する。この浮かされている部分が、基板２に対して、音響的に分離されている。なお、本第１の実施形態では、ＳｃＡｌＮ膜３は物理的に浮かされているが、これに限定されるものではない。音響的に分離されていればよいので、例えば、ＳｃＡｌＮ膜３は音響反射層上に形成されていてもよい。
　ＳｃＡｌＮ膜３の下面には、第１の電極４が形成されている。ＳｃＡｌＮ膜３の上面には、第２の電極５が形成されている。第１の電極４は、ＳｃＡｌＮ膜３を介して第２の電極５に重なり合っている。本実施形態では、第１の電極４と第２の電極５が重なり合っている部分は正方形の形状を有している。もっとも、後述するように、第１の電極４及び第２の電極５が重なり合っている部分の平面形状はこれに限定されるものではない。
　第１の電極４と、第２の電極５とがＳｃＡｌＮ膜３を介して重なり合っている部分が圧電振動部を構成している。すなわち、第１の電極４と第２の電極５との間に交流電界を印加することにより、上記圧電振動部が励振される。バルク波共振子１は、この励振により生じたバルク波を利用するものである。
　バルク波共振子１の特徴は、ＳｃＡｌＮ膜３におけるＳｃ含有濃度が上記のように５～４３原子％の範囲にあることにある。それによって、以下に述べるように、第１の電極４及び第２の電極５が正方形の形状であったとしても、共振周波数以下の周波数域に現れるスプリアスを抑圧することができる。また、共振周波数近傍における損失が小さく、Ｑ値が高い。
　これを、図２～図４を参照して説明する。
　上記実施形態のバルク波共振子１として、以下の構造の実施例のバルク波共振子を作製した。
　ＳｃＡｌＮ膜のＳｃ含有濃度＝３５原子％。ＳｃＡｌＮ膜の厚み＝０．９μｍ。第１の電極４及び第２の電極５はＰｔとＡｕの積層構造からなり、その厚みは０．１２μｍとした。圧電振動部の大きさは、１２０μｍ×１２０μｍの正方形とした。
　また、ＳｃＡｌＮ膜３に代えて、ＡｌＮ膜を用いたことを除いては、上記実施例と同様にして第１の比較例のバルク波共振子を用意した。
　図２の実線は、上記実施例のバルク波共振子の共振特性を示し、破線は上記第１の比較例の共振特性を示す。
　また、図３の実線は、上記実施例のバルク波共振子１の反射特性を示し、破線は上記ＡｌＮ膜を用いた第１の比較例のバルク波共振子の反射特性を示す。
　さらに、図４の実線は、上記実施例のバルク波共振子１のインピーダンススミスチャートを示すし、破線は上記第１の比較例のバルク波共振子のインピーダンススミスチャートを示す。
　図３の破線から明らかなように、第１の比較例では、共振周波数である２．３８ＧＨｚ以下の周波数域において、比較的大きな多数のスプリアスが現れていることがわかる。同様に、図４のＡで示す領域、すなわち共振周波数以下の周波数域において第１の比較例では多数のスプリアスが現れていることがわかる。これに対して、上記実施例のバルク波共振子１では、図３に示すように、共振周波数である１．９ＧＨｚ以下の周波数域においてほとんどスプリアスが現れていないことがわかる。図４からも、共振周波数以下の周波数域において、上記実施例によれば、スプリアスが現れていないことがわかる。
　すなわち、図２～図４から明らかなように、バルク波共振子１では、共振周波数以下の周波数域におけるスプリアスを効果的に抑圧することができる。
　また、図３から明らかなように、共振周波数近傍における損失が、比較例に比べ上記実施例によれば小さいこともわかる。すなわち、Ｑ値を高め得ることがわかる。
　よって、バルク波共振子１では、複雑な形状を有しない正方形状の第１，第２の電極４，５を用いた場合であっても、共振周波数以下の周波数域におけるスプリアスを抑圧し、かつＱ値を高め得ることがわかる。
　図５は、本発明の第２の実施形態に係るバルク波共振子１１を示す正面断面図である。バルク波共振子１１は、保護膜が備えられていること、材料及び各層の厚みが以下のように構成されていることを除いては、第１の実施形態のバルク波共振子１とほぼ同様である。
　バルク波共振子１１は、Ｓｉからなる基板３２を有する。基板３２の第１の主面としての上面に、酸化ケイ素からなる矩形枠状の枠部材層３３が積層されている。この枠部材層３３上に、ＡｌＮからなる下部保護層３４が積層されている。下部保護層３４は、空間６を閉成するように設けられている。下部保護層３４上に、Ｍｏからなる第１の電極３５が形成されている。第１の電極３５上に、ＳｃＡｌＮ膜３６が積層されている。ＳｃＡｌＮ膜３６上に、第２の電極３７が形成されている。第２の電極３７はＭｏからなる。第２の電極３７は、空間６の上方に位置している。すなわち、空間６の上方において、第２の電極３７がＳｃＡｌＮ膜を介して第１の電極３５と重なり合っている。この重なり合っている部分が圧電振動部を構成している。第１の電極３５及びＳｃＡｌＮ膜３６の上面を覆うように上部保護層３８が形成されている。上部保護層３８はＡｌＮからなる。ここで、下部保護層と上部保護層は、後述するようにＳｃＡｌＮで形成されていてもよい。また、下部保護層や上部保護層はＡｌＮの代わりにＳｉＮやＳｉＯ２であってもよく、それらの積層構造体でもよい。また、上部Ｍｏ電極と圧電ＳｃＡｌＮ膜の間や下部Ｍｏ電極と圧電ＳｃＡｌＮ膜の間にＳｉＯ２膜を設けると共振子の周波数温度特性が大きく改善される効果もある。
　バルク波共振子１１では、ＳｃＡｌＮ膜３６の厚みは１．０μｍである。Ｓｃ含有濃度は３７．５原子％である。
　また、第１の電極４及び第２の電極５の厚みは０．２μｍである。
　図６は、第２の実施形態のバルク波共振子１１のインピーダンススミスチャートを示す。図６にＡ１で示す領域、すなわち共振周波数及び共振周波数以下の周波数域において、本実施形態においてもスプリアスが効果的に抑圧されていることがわかる。また、Ｑ値が比較的高いことがわかる。
　図７は、本発明の第３の実施形態に係るバルク波共振子２１の正面断面図である。バルク波共振子２１は、質量付加膜３９が第２の電極３７上に積層されていることを除いては、第２の実施形態のバルク波共振子１１と同様に構成されている。ここでは、質量付加膜３９は、正方形枠状の形状を有している。質量付加膜３９は、圧電振動部の外周に沿う形状とされている。もっとも、正方形枠状の質量付加膜は、圧電振動部の外周の全周にわたり形成されている必要は必ずしもない。すなわち、正方形枠状の一部が切り欠かれていてもよい。
　質量付加膜３９は、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌＮ、酸化シリコン膜などからなる。また、質量付加膜３９の幅Ｗ１は２μｍとした。また、正方形枠状の質量付加膜３９の外側の辺の一辺の長さは１００μｍとした。
　すなわち、第１の電極３５と第２の電極３７とが重なり合っている部分は、１辺が１００μｍの正方形である。この正方形に外接するように正方形枠状の質量付加膜３９が設けられている。ここで、下部保護層３４はＳｃＡｌＮ、膜厚５０ｎｍ、第１の電極３５はＭｏ、膜厚２５０ｎｍ、ＳｃＡｌＮ３６の膜厚は９７０ｎｍ、第２の電極３７はＭｏ、膜厚２５０ｎｍ、質量付加膜３９はＭｏ、膜厚１８０ｎｍ、上部保護層３８はＳｃＡｌＮ、膜厚１００ｎｍとした。下部保護層３４，上部保護層３８はＡｌＮで形成されていてもよい。もっとも、下部保護層３４と上部保護層３８をＳｃＡｌＮで形成することにより、ＡｌＮの場合よりもＳｃＡｌＮとの密着性や結晶性を高くし得る。ＡｌＮとＳｃＡｌＮとでは結晶構造における原子間距離が異なるため、ＡｌＮの場合には、密着性や結晶性が低くなるためと考えられる。
　その他の構成は第２の実施形態のバルク波共振子１１と同様である。図８は、第３の実施形態のバルク波共振子２１のインピーダンススミスチャートを示す。
　図８から明らかなように、Ａ２で示す共振周波数以下の領域においては、スプリアスが小さく、Ｑ値の劣化も見られないことがわかる。
　加えて、バルク波共振子２１の場合には、破線で示す領域Ｂ１で示すように共振周波数よりも高域側の周波数域においてもＱ値の劣化がほとんどなく、かつスプリアスを効果的に抑圧し得ることがわかる。従って、上記質量付加膜７を設けることにより、広い周波数範囲にわたりスプリアスを抑圧し得ることがわかる。
　第１の実施形態の実施例では、Ｓｃ含有濃度は３５原子％であり、第２及び第３の実施形態では、３７．５原子％としていた。本願発明者らは、ＳｃＡｌＮ膜の圧電性を示す圧電定数ｄ３３と、Ｓｃ含有濃度との関係を求めた。結果を図９に示す。
　図９から明らかなように、Ｓｃ濃度が０原子％を超え、４３原子％まで上昇していくと、圧電定数ｄ３３が次第に大きくなることがわかる。特に、Ｓｃ含有濃度が１３原子％以上では、Ｓｃ濃度の上昇につれて圧電定数ｄ３３が急激に大きくなることがわかる。他方、Ｓｃ含有濃度が４３原子％を超えると、圧電定数ｄ３３は急激に低下する。上記のようにＳｃ含有濃度が４３原子％以下では、Ｓｃの含有濃度が高くなると圧電定数ｄ３３が高くなっている。これは、ＳｃがＡｌに置換することにより、ＳｃＡｌＮの結晶格子がａ軸方向に広がり、Ａｌ原子がｃ軸方向に動きやすくなるためと考えられる。すなわち、ｃ軸方向にＳｃＡｌＮが柔らかくなるためと考えられる。
　さらに、図２２にＳｃＡｌＮ（Ｓｃ含有濃度４３原子％）とＡｌＮの板波の分散特性を示す。Ｘ軸は膜厚で規格化した波数を、Ｙ軸は共振周波数で規格化した周波数を示す。図２２に示されているように、ＡｌＮでは共振周波数以下に伝搬するモードが多く存在する。これに対して、ＳｃＡｌＮでは、共振周波数からほぼ水平に分散特性が延びており共振周波数以下に伝搬するモードがほとんど存在しないことが分かる。従って、ＳｃＡｌＮを用いたバルク波共振子では共振周波数以下にスプリアスモードが存在しにくくなることが分かる。また、このような分散特性の相違は、ＡｌＮのＡｌの一方がＳｃに置換することによって厚み方向（ｃ３３方向）の弾性定数が小さくなることによるものと考えられる。
　図１０は、上記バルク波共振子１における、共振子比帯域（％）及び周波数温度係数ＴＣＦ（ｐｐｍ／Ｋ）と、ＳｃＡｌＮにおけるＳｃ含有濃度との関係を示す図である。
　図１０から明らかなように、広帯域化及び良好な温度特性を実現するには、Ｓｃ濃度が２４原子％以下であることが望ましいことがわかる。
　次に、本願発明者らは、上記バルク波共振子１において、Ｓｃ含有濃度を種々変化させ、Ｓｃ濃度と損失係数との関係を求めた。結果を図１２に示す。図１２の縦軸は、損失係数ｆｓ１０（％）（Ｓ１１）を示す。このｆｓ１０（％）（Ｓ１１）の意味する内容を図１３を参照して説明する。図１３は、ＳｃＡｌＮにおいて、Ｓｃ含有濃度を３７．５原子％とした場合のバルク波共振子１のインピーダンススミスチャートを示す。ここでは、共振子のエネルギー損失を示すための指標として、反射係数Ｓ１１の大きさを用いた。無損失であれば、反射係数Ｓ１１は１．０となる。図１３に矢印ｆｓで共振周波数の位置を示す。この共振周波数以下の１０％の周波数域での反射係数Ｓ１１の大きさの平均値を求めた。これが、図１２の縦軸のｆｓ１０（％）である。すなわち、ｆｓ１０（％）（Ｓ１１）は、共振周波数ｆｓと、０．９ｆｓ＝ｆｘとの間の周波数域におけるＳ１１の大きさの平均値である。
　図１２から明らかなように、Ｓｃ含有濃度が１５原子％以上では、Ｓｃ含有濃度が高くなるにつれ、反射損失がかなり小さくなることがわかる。従って、好ましくは、本発明においては、Ｓｃ含有濃度は１５原子％以上であり、その場合には、反射損失を大幅に高めることができる。よって、本発明において、Ｓｃ含有濃度は前述したように５～４３原子％の範囲にあることが必要であるが、より好ましくは１５～４３原子％の範囲にあることが望ましい。
　また、前述したように、図１０より、良好な温度特性及び広帯域化を図るためには、Ｓｃ含有濃度は２４原子％以下であることが望ましかった。従って、好ましくは、本発明においては、Ｓｃ含有濃度は、１５～２４原子％の範囲とすることが望ましい。それによって、温度特性が良好であり、広帯域化を図ることが可能となり、さらに反射損失を小さくすることができる。
　また、図１１は、上記Ｓｃ含有濃度と、圧電定数ｄ３３との関係を示す図である。図１１は、図９に示したグラフのＳｃ含有濃度が高い領域を拡大して示す図に相当する。
　図１１から明らかなように、圧電定数ｄ３３は、Ｓｃ含有濃度が４０原子％以上、４５原子％以下の範囲では、Ｓｃ含有濃度の変化に伴って大きくばらつくことがわかる。Ｓｃ含有濃度が４０原子％未満では、六方晶構造であるのに対し、４５原子％を超えると立方晶構造に相転移する。Ｓｃ含有濃度が４０原子％～４５原子％の範囲は、この相転移が生じる部分であるため、結晶構造が非常に不安定な領域となる。そのため、上記のようにｄ３３が大きくばらついていると考えられる。
　よって、本発明においては、好ましくは、図１１より、Ｓｃ含有濃度が３９．５原子％以下であることが望ましく、さらに図１２より、３７原子％以上であれば、損失係数を著しく小さくし得ることがわかる。このため、Ｓｃ含有濃度は３７～３９．５原子％の範囲とすることがより望ましい。それによって、広帯域化とスプリアスの抑圧とをより効果的に図ることができる。加えて、量産に際してのＳｃＡｌＮ膜の膜質の安定性を効果的に高めることが可能となる。
　図１４は、本発明の第４の実施形態に係るバルク波共振子を示す正面断面図である。
　バルク波共振子３１は、Ｓｉからなる基板３２を有する。基板３２の第１の主面としての上面に、酸化ケイ素からなる矩形枠状の枠部材層３３が積層されている。この枠部材層３３上に、ＡｌＮからなる下部保護層３４が積層されている。下部保護層３４は、空間６を閉成するように設けられている。下部保護層３４上に、Ｍｏからなる第１の電極３５が形成されている。第１の電極３５上に、ＳｃＡｌＮ膜３６が積層されている。ＳｃＡｌＮ膜３６上に、第２の電極３７が形成されている。第２の電極３７はＭｏからなる。第２の電極３７は、空間６の上方に位置している。すなわち、空間６の上方において、第２の電極３７がＳｃＡｌＮ膜を介して第１の電極３５と重なり合っている。この重なり合っている部分が圧電振動部を構成している。第１の電極３５及びＳｃＡｌＮ膜３６の上面を覆うように上部保護層３８が形成されている。上部保護層３８はＡｌＮからなる。下部保護層と上部保護層にＡｌＮを用いることで、犠牲層として酸化ケイ素を用いた場合の図１２の構造で、犠牲層をエッチングする工程で電極/ＳｃＡｌＮ圧電膜/電極で構成される振動部をフッ酸から保護する役割を持つ。よって、ＳｃＡｌＮ圧電薄膜の密着性改善の観点からは下部保護層を下から、ＡｌＮとＳｃＡｌＮの積層体とすればさらによい。
　また、本実施形態では、第２の電極３７の外周縁に質量付加膜３７ａとして機能する正方形枠状の突出部が第２の電極３７と同じ材料により形成されている。従って、質量付加膜の形成に余分な材料を必要としない。よって、コストの低減を図ることができる。
　バルク波共振子３１では、ＳｃＡｌＮ膜３６のＳｃ含有濃度は４３原子％とした。またその膜厚は９７０ｎｍとした。第１の電極３５及び第２の電極３７の厚みは２５０ｎｍとした。また、質量付加膜３７ａとして機能する正方形枠状の突出部の高さ、すなわち第２の電極３７の上面から突出している高さは１８０ｎｍとし、その幅Ｗ１は２μｍとし、外形は１００μｍ×１００μｍの正方形とした。
　比較のために、ＳｃＡｌＮ膜３６に代えてＡｌＮ膜を用いたことを除いては同様にして、第２の比較例のバルク波共振子を作製した。
　図１５は、第２の比較例のバルク波共振子のインピーダンススミスチャートを示す。図１６は、本実施形態のバルク波共振子３１のインピーダンススミスチャートを示す。図１５と図１６とを比較すれば明らかなように、本実施形態においても、Ａ３で示す共振周波数以下の周波数域においてスプリアスを効果的に抑圧することができ、かつＱ値の劣化も生じ難いことがわかる。
　図１７（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係るバルク波共振子の正面断面図であり、（ｂ）は第２の電極の平面図である。
　図１７（ａ）において、図１４に示した構造と同一部分については同一の参照番号を付することとする。すなわち、図１７（ａ）に示すバルク波共振子４１は、図１４の質量付加膜３７ａが設けられていないこと、第２の電極３７の形状が図１７（ｂ）に示すように楕円形であることを除いては、同様とされている。従って、他の部分については、バルク波共振子３１の説明を援用することとする。
　本実施形態では、第２の電極３７が楕円形であるため、第２の電極３７がＳｃＡｌＮ膜３６を介して第１の電極３５と重なり合っている圧電振動部は楕円形の平面形状を有する。
　本実施形態においても、ＳｃＡｌＮ膜３６のＳｃ含有濃度は４３原子％である。
　本実施形態と同様にして、ただしＳｃＡｌＮ膜３６に代えてＡｌＮ膜を用いた第３の比較例のバルク波共振子を用意した。
　図１８は第３の比較例のバルク波共振子のインピーダンススミスチャートを示す。図１９は、本実施形態のバルク波共振子４１のインピーダンススミスチャートを示す。
　図１８に対し、図１９では、Ａ４で示すように共振周波数以下の周波数域においてスプリアスが充分に抑圧されており、かつＱ値の劣化も生じ難いことがわかる。
　もっとも、図１６と図１９とを対比すれば明らかなように、図１６に示した第４の実施形態のバルク波共振子３１では、共振周波数以上の高い周波数域においてもスプリアスを効果的に抑圧することが可能とされている。これは、前述したように、質量付加膜３７ａが設けられたことによる。
　また、図１９では、共振周波数以上の周波数域におけるスプリアスも充分に抑圧されていることがわかる。すなわち、共振周波数以上の周波数域において損失は増加し、Ｑ値は若干劣化するものの、共振周波数以上の周波数域においてもスプリアスを抑圧し得ることがわかる。これは、第２の電極が互いに平行な一対の辺を有しないため、広い周波数範囲にわたりスプリアスを抑圧し得るためと考えられる。
　上記のように、広い周波数範囲にわたりスプリアスを抑圧したい場合には、圧電振動部の平面形状を上記のように互いに平行な一対の辺を有しないように形成すればよい。このような形状の例を図２０（ａ）～（ｄ）に示す。
　図２０（ａ）では、第１の電極３５及び第２の電極３７が重なり合っている部分において、圧電振動部の周囲に細かな凹凸が設けられている。すなわち、圧電振動部が外周縁に細かな凹凸を有するように第１の電極３５及び第２の電極３７の外周縁の一部に凹凸が設けられている。
　図２０（ｂ）では、第１の電極３５と第２の電極３７とが重なり合っている圧電振動部が不等辺四角形とされている。図２０（ｃ）では、第１の電極３５と第２の電極３７とが重なり合っている部分が不等辺五角形とされている。このように、圧電振動部の平面形状が互いに平行な一対の辺を有しないような多角形の形状であれば、圧電振動部の平面形状は適宜変形することができる。
　なお、図２０（ｄ）では、圧電振動部の平面形状が正八角形ではない八角形となるように、第１，第２の電極３５，３７が配置されている。この場合、圧電振動部の平面形状において、互いに平行な複数対の辺は存在している。しかしながら、正八角形ではないため、正八角形の場合に比べれば、広い周波数範囲にわたりスプリアスを抑圧することができる。
　本発明のバルク波共振子は、共振子として様々な用途に用いることができる。例えば、図２１に示すラダー型フィルタの直列腕共振子Ｓ１～Ｓ３や、並列腕共振子Ｐ１，Ｐ２に好適に用いることができる。従って、本発明によれば、上記のように、Ｑ値が高く、共振周波数以下の周波数域におけるスプリアスを効果的に抑圧し得る本発明の共振子を用いて、様々なフィルタ装置や、該フィルタ装置を有するデュプレクサなどを提供することが可能となる。
　１…バルク波共振子
　２…基板
　３…ＳｃＡｌＮ膜
　４，５…第１，第２の電極
　６…空間
　７…質量付加膜
　１１，２１，３１…バルク波共振子
　３２…基板
　３３…枠部材層
　３４…下部保護層
　３５，３７…第１，第２の電極
　３６…ＳｃＡｌＮ膜
　３７ａ…質量付加膜
　３８…上部保護層
　３９…質量付加膜
　４１…バルク波共振子
　Ｐ１，Ｐ２…並列腕共振子
　Ｓ１～Ｓ３…直列腕共振子

Claims (7)

  1. 　基板と、
    　前記基板の一方主面に固定されており、該基板の一方主面から音響的に分離されている部分を有するスカンジウム含有窒化アルミニウム膜と、
    　前記スカンジウム含有窒化アルミニウム膜の一方面に設けられた第１の電極と、
    　前記スカンジウム含有窒化アルミニウム膜の他方面に形成されており、前記第１の電極と前記スカンジウム含有窒化アルミニウム膜を介して重なり合っている第２の電極とを備え、
    　前記第１の電極と第２の電極とが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、
    　前記スカンジウム含有窒化アルミニウム膜におけるスカンジウムとアルミニウムとの合計を１００原子％としたときに、スカンジウム含有濃度が５～４３原子％の範囲にある、バルク波共振子。
  2. 　前記スカンジウム含有濃度が１５～２４原子％の範囲にある、請求項１に記載のバルク波共振子。
  3. 　前記スカンジウム含有濃度が、３７～３９．５原子％の範囲にある、請求項１に記載のバルク波共振子。
  4. 　前記圧電振動部の外周部分の少なくとも一部において、前記圧電振動部に質量を付加するための質量付加膜が形成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のバルク波共振子。
  5. 　前記質量付加膜が前記第２の電極と同じ材料からなる、請求項４に記載のバルク波共振子。
  6. 　前記圧電振動部の平面形状が楕円形である、請求項１～５のいずれか１項に記載のバルク波共振子。
  7. 　前記圧電振動部の平面形状が互いに平行な辺を有しない多角形状である、請求項１～６のいずれか１項に記載のバルク波共振子。
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