特開 2015-95728 圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-95728(P2015-95728A)

(43)【公開日】2015年5月18日

(54)【発明の名称】圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサ

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/17 20060101AFI20150421BHJP

   H03H 9/70 20060101ALI20150421BHJP

   H03H 9/54 20060101ALI20150421BHJP

【ＦＩ】

   H03H9/17 F

   H03H9/70

   H03H9/54 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-233420(P2013-233420)

(22)【出願日】2013年11月11日

(71)【出願人】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】谷口 眞司

(72)【発明者】

【氏名】西原 時弘

(72)【発明者】

【氏名】横山 剛

(72)【発明者】

【氏名】坂下 武

【テーマコード（参考）】

5J108

【Ｆターム（参考）】

5J108AA01

5J108AA07

5J108BB08

5J108CC04

5J108CC09

5J108CC11

5J108EE03

5J108EE04

5J108EE07

5J108FF02

5J108KK01

(57)【要約】

【課題】圧電薄膜共振器のＱ値を向上させ、かつ、スプリアスを抑制すること。
【解決手段】基板１０と、前記基板上に設けられた圧電膜１４と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極１２および上部電極１６と、前記圧電膜中に挿入され、前記圧電膜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５０内の外周領域５２に設けられ、前記共振領域の中央領域５４には設けられておらず、前記共振領域内に切欠き５８が形成された挿入膜２８と、を具備する圧電薄膜共振器。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、
前記圧電膜中に挿入され、前記圧電膜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内の外周領域に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられておらず、前記共振領域内に切欠きが形成された挿入膜と、
を具備することを特徴とする圧電薄膜共振器。

【請求項2】

前記切欠きは、前記共振領域の外周まで形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振器。

【請求項3】

前記共振領域の外周と前記挿入膜の内周とは、前記切欠きを除き相似形であることを特徴とする請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。

【請求項4】

前記共振領域は楕円形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項5】

前記切欠きは、前記共振領域の短軸近傍に形成されていることを特徴とする請求項４記載の圧電薄膜共振器。

【請求項6】

前記挿入膜のヤング率は前記圧電膜のヤング率より小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項7】

前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項8】

前記共振領域において、前記基板と前記下部電極または前記下部電極に接する絶縁膜との間に空隙が形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項9】

前記共振領域において、前記下部電極の前記圧電膜とは反対側に前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を含むことを特徴とするフィルタ。

【請求項11】

送信フィルタと受信フィルタとを具備し、
前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方が請求項１０記載のフィルタであることを特徴とするデュプレクサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサに関し、例えば圧電膜内に挿入膜を備える圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサに関する。

【背景技術】

【0002】

圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば携帯電話等の無線機器のフィルタおよびデュプレクサとして用いられている。圧電薄膜共振器は、圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する構造を有している。

【0003】

無線システムの急速な普及にともない、多くの周波数帯が使用されている。その結果、フィルタやデュプレクサのスカート特性を急峻化する要求が強まっている。スカート特性を急峻化する対策の一つに圧電薄膜共振器のＱ値を高めることがある。圧電薄膜共振器のＱ値が劣化する要因の一つに、弾性波エネルギーが共振領域から外部へ漏洩することが挙げられる。

【0004】

特許文献１には、下部電極または上部電極の表面に環帯を設けることにより、Ｑ値を向上させることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−１０９４７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１の構造では、共振領域から外部に漏洩する弾性波エネルギーを十分に抑制することができない。よって、Ｑ値の向上が不十分である。また、Ｑ値を向上させると、共振周波数以下のスプリアスが増加し、損失が増大してしまう。

【0007】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電薄膜共振器のＱ値を向上させ、かつ、スプリアスを抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、基板と、前記基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記圧電膜中に挿入され、前記圧電膜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内の外周領域に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられておらず、前記共振領域内に切欠きが形成された挿入膜と、を具備することを特徴とする圧電薄膜共振器である。

【0009】

上記構成において、前記切欠きは、前記共振領域の外周まで形成されている構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記共振領域の外周と前記挿入膜の内周とは、前記切欠きを除き相似形である構成とすることができる。

【0011】

上記構成において、前記共振領域は楕円形状である構成とすることができる。

【0012】

上記構成において、前記切欠きは、前記共振領域の短軸近傍に形成されている構成とすることができる。

【0013】

上記構成において、前記挿入膜のヤング率は前記圧電膜のヤング率より小さい構成とすることができる。

【0014】

上記構成において、前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とする構成とすることができる。

【0015】

上記構成において、前記共振領域において、前記基板と前記下部電極または前記下部電極に接する絶縁膜との間に空隙が形成されている構成とすることができる。

【0016】

上記構成において、前記共振領域において、前記下部電極の前記圧電膜とは反対側に前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備する構成とすることができる。

【0017】

本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むことを特徴とするフィルタである。

【0018】

本発明は、送信フィルタと受信フィルタとを具備し、前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方が上記フィルタであることを特徴とするデュプレクサである。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、圧電薄膜共振器のＱ値を向上させ、かつ、スプリアスを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】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、挿入膜の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図2】図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る直列共振器の製造方法を示す断面図である。

【図3】図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施例１における挿入膜付近の平面図である。

【図4】図４（ａ）および図４（ｂ）は、切欠きの例を示す平面図（その１）である

【図5】図５（ａ）から図５（ｃ）は、切欠きの例を示す平面図（その２）である

【図6】図６（ａ）から図６（ｃ）は、切欠きの例を示す平面図（その３）である

【図7】図７（ａ）は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図７（ｂ）は、挿入膜の平面図、図７（ｃ）および図７（ｄ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図8】図８（ａ）は、ヤング率に対する反共振点のＱ値、図８（ｂ）は、ヤング率に対する実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆを示す図である。

【図9】図９は、フィルタにおける通過特性の例を示す図である。

【図10】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例１および比較例１に係る共振器の周波数に対する減衰量を示す図である。

【図11】図１１は、実施例１、比較例１および２に係る共振器の反共振点のＱ値を示す図である。

【図12】図１２は、実施例１に係る共振器の周波数に対する減衰量を示す図である。

【図13】図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例２における挿入膜付近の平面図である。

【図14】図１４（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の断面図、図１４（ｂ）は、実施例３の変形例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。

【図15】図１５は、実施例４に係るデュプレクサの回路図である。

【図16】図１６（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図17】図１７は、送信フィルタの挿入膜の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

【実施例1】

【0022】

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、挿入膜の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。

【0023】

図１（ａ）および図１（ｃ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。シリコン（Ｓｉ）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の平坦主面と下部電極１２との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙３０の周辺では空隙３０の高さが小さく、空隙３０の内部ほど空隙３０の高さが大きくなるような形状の膨らみである。下部電極１２は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａは例えばＣｒ（クロム）膜であり、上層１２ｂは例えばＲｕ（ルテニウム）膜である。

【0024】

下部電極１２上に、（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４内に挿入膜２８が設けられている。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向のほぼ中央に設けられている。挿入膜２８が設けられるのは、膜厚方向の中央でなくともよいが、中央に設けることにより、挿入膜としての機能をより発揮する。圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域５０）を有するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。共振領域５０は、楕円形状を有し、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａは例えばＲｕ膜であり、上層１６ｂは例えばＣｒ膜である。

【0025】

上部電極１６上には周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が形成されている。共振領域５０内の積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜２８、上部電極１６および周波数調整膜２４を含む。周波数調整膜２４はパッシベーション膜として機能してもよい。

【0026】

図１（ａ）のように、下部電極１２には犠牲層をエッチングするための導入路３３が形成されている。犠牲層は空隙３０を形成するための層である。導入路３３の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路３３の先端に孔部３５を有する。

【0027】

図１（ａ）および図１（ｄ）を参照し、並列共振器Ｐの構造について説明する。並列共振器Ｐは直列共振器Ｓと比較し、上部電極１６の下層１６ａと上層１６ｂとの間に質量負荷膜２０が設けられている。質量負荷膜２０は、例えばＴｉ（チタン）膜である。よって、積層膜１８は直列共振器Ｓの積層膜に加え、共振領域５０内の全面に形成された質量負荷膜２０を含む。その他の構成は直列共振器Ｓの図１（ｃ）と同じであり説明を省略する。

【0028】

直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差は、質量負荷膜２０の膜厚を用い調整する。直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜２４の膜厚を調整することにより行なう。

【0029】

２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、下部電極１２の下層１２ａはＣｒ膜であり、下層１２ａの膜厚は１００ｎｍである。下部電極１２の上層１２ｂはＲｕ膜であり、上層１２ｂの膜厚は２５０ｎｍである。圧電膜１４はＡｌＮ膜であり、圧電膜１４の膜厚は１１００ｎｍである。挿入膜２８は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜であり、挿入膜２８の膜厚は１５０ｎｍである。上部電極１６の下層１６ａはＲｕ膜であり、下層１６ａの膜厚は２５０ｎｍ、上部電極１６の上層１６ｂはＣｒ膜であり、上層１６ｂの膜厚は５０ｎｍである。周波数調整膜２４は酸化シリコン膜であり、周波数調整膜２４の膜厚は５０ｎｍである。質量負荷膜２０はＴｉ膜であり、質量負荷膜２０の膜厚は１２０ｎｍである。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。

【0030】

図１（ｂ）に示すように、挿入膜２８は、共振領域５０内の外周領域５２に設けられ中央領域５４に設けられていない。外周領域５２は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の外周を含み外周に沿った領域である。外周領域５２は、例えば帯状およびリング状である。中央領域５４は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の中央を含む領域である。中央は幾何学的な中心でなくてもよい。挿入膜２８は、外周領域５２に加え共振領域５０を囲む領域５６に設けられている。挿入膜２８は、外周領域５２から共振領域５０外まで連続して設けられている。挿入膜２８には、切欠き５８（凹部）が形成されている。切欠き５８は、中央領域５４から外側に向けて形成されている。

【0031】

基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、石英基板、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、ＲｕおよびＣｒ以外にもＡｌ（アルミニウム）、Ｔｉ、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。例えば、上部電極１６の下層１６ａをＲｕ膜、上層１６ｂをＭｏ膜としてもよい。圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、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。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Ｓｃ（スカンジウム）を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上するため、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。

【0032】

挿入膜２８としては、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｃｒ、またはＳｉＯ_２等の圧電膜１４よりヤング率の小さい材料を用いることが好ましい。これにより、Ｑ値を向上できる。また、挿入膜２８として金属膜を用いることにより、実効的電気機械結合係数を向上できる。詳細は後述する。

【0033】

周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも窒化シリコン膜または窒化アルミニウム等を用いることができる。質量負荷膜２０としては、Ｔｉ以外にも、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＩｒ等の単層膜を用いることができる。また、例えば窒化シリコンまたは酸化シリコン等の窒化金属または酸化金属からなる絶縁膜を用いることもできる。質量負荷膜２０は、上部電極１６の層間以外にも、下部電極１２の下、下部電極１２の層間、上部電極１６の上、下部電極１２と圧電膜１４との間または圧電膜１４と上部電極１６との間に形成することができる。質量負荷膜２０は、共振領域５０を含むように形成されていれば、共振領域５０より大きくてもよい。

【0034】

図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る直列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、平坦主面を有する基板１０上に空隙を形成するための犠牲層３８を形成する。犠牲層３８の膜厚は、例えば１０〜１００ｎｍであり、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＧｅまたはＳｉＯ_２等のエッチング液またはエッチングガスに容易に溶解できる材料から選択される。その後、犠牲層３８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。犠牲層３８の形状は、空隙３０の平面形状に相当する形状であり、例えば共振領域５０となる領域を含む。次に、犠牲層３８および基板１０上に下部電極１２として下層１２ａおよび上層１２ｂを形成する。犠牲層３８および下部電極１２は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜される。その後、下部電極１２を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術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。

【0035】

図２（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に圧電膜１４ａおよび挿入膜２８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。挿入膜２８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。挿入膜２８は、リフトオフ法により形成してもよい。挿入膜２８には、切欠き５８が形成される。

【0036】

図２（ｃ）に示すように、圧電膜１４ｂ、上部電極１６の下層１６ａおよび上層１６ｂ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。圧電膜１４ａおよび１４ｂから圧電膜１４が形成される。上部電極１６を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術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。

【0037】

なお、図１（ｄ）に示す並列共振器においては、下層１６ａを形成した後に、質量負荷膜２０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。質量負荷膜２０をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。その後、上層１６ｂを形成する。

【0038】

周波数調整膜２４を例えばスパッタリング法またはＣＶＤ法を用い形成する。フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い周波数調整膜２４を所望の形状にパターニングする。

【0039】

その後、孔部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。犠牲層３８をエッチングする媒体としては、犠牲層３８以外の共振器を構成する材料をエッチングしない媒体であることが好ましい。特に、エッチング媒体は、エッチング媒体が接触する下部電極１２がエッチングされない媒体であることが好ましい。積層膜１８（図１（ｃ）、図１（ｄ）参照）の応力を圧縮応力となるように設定しておく。これにより、犠牲層３８が除去されると、積層膜１８が基板１０の反対側に基板１０から離れるように膨れる。下部電極１２と基板１０との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成される。以上により、図１（ａ）および図１（ｃ）に示した直列共振器Ｓ、および図１（ａ）および１（ｄ）に示した並列共振器Ｐが作製される。

【0040】

図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施例１における挿入膜付近の平面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）では、より実際の寸法関係に近づけるため、図１（ａ）および図１（ｂ）とは、拡大縮小関係が異なる。図４（ａ）から図６（ｃ）においても同様である。図３（ａ）に示すように、上部電極１６と下部電極１２が重なる領域が共振領域５０である。図３（ｂ）に示すように、共振領域５０の内側から外側に掛けての一定の幅を有する挿入膜２８が設けられている。共振領域５０は短軸７０および長軸７２を有する楕円形状を有している。切欠き５８は、短軸近傍の上部電極１６の引き出し側に形成されている。切欠き５８は、略三角形状である。切欠き５８の先端は共振領域５０の外周とほぼ一致している。

【0041】

図４（ａ）から図６（ｃ）は、切欠きの例を示す平面図である。図４（ａ）に示すように、切欠き５８が、複数も受けられていてもよい。複数の切欠き５８は、共振領域５０のうち対向する箇所に設けられていてもよい。図４（ｂ）に示すように、切欠き５８は、短軸近傍の下部電極１２の引き出し側に形成されている。

【0042】

図５（ａ）から図５（ｃ）に示すように、切欠き５８は、共振領域５０を囲む領域５６の途中まで達していてもよい。図６（ａ）から図６（ｃ）に示すように、切欠き５８は、挿入膜２８を分離するように形成されていてもよい。切欠き５８は、図３（ｂ）から図５（ｃ）のように、略三角形状を有していてもよいし、図６（ａ）から図６（ｃ）のように、略長方形状でもよい。切欠き５８の形状はその他の形状でもよい。

【0043】

切欠き５８が形成されていない比較例１について、挿入膜２８の効果を調べた。図７（ａ）は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図７（ｂ）は、挿入膜の平面図、図７（ｃ）および図７（ｄ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【0044】

図７（ａ）から図７（ｄ）に示すように、挿入膜２８には、切欠きが形成されていない。挿入膜２８が、共振領域５０の外側に連続して形成されている。挿入膜２８に孔部３５に連通する孔３４が形成されている。その他の構成は、実施例１の図１（ａ）から図１（ｄ）と同じであり説明を省略する。

【0045】

比較例１について、挿入膜２８の材料を変え、反共振点のＱ値について有限要素法を用いシミュレーションした。有限要素法は、図７（ｃ）のような断面の２次元解析により行なった。積層膜１８の各膜厚および材料は図１（ａ）から図１（ｄ）の２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器として例示したものとした。すなわち、圧電膜１４をＡｌＮとした。挿入膜２８を酸化シリコン膜とし、膜厚を１５０ｎｍとし、共振領域５０と挿入膜２８との重なる幅Ｗを２μｍとした。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向の中間位置に設けられているとした。

【0046】

図８（ａ）は、ヤング率に対する反共振点のＱ値、図８（ｂ）は、ヤング率に対する実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆを示す図である。比較例１は、挿入膜２８を設けない共振器に対応する。挿入膜２８の材料として、Ａｌ、ＳｉＯ_２、Ｔｉ、Ｃｒ，ＡｌＮ、ＲｕおよびＷについて計算した。

【0047】

図８（ａ）を参照し、ヤング率が小さい材料を挿入膜２８とすることにより反共振点のＱ値が高くなる。ヤング率がＡｌＮより小さくなると、Ｑ値が比較例１より高くなる。これは、以下の理由による。すなわち、外周領域５２にヤング率が小さい挿入膜２８が設けられることにより、共振領域５０の外周領域５２において弾性波の振動が小さくなる。これにより、共振領域５０の外周が固定端として弾性波が固定端反射される。よって、弾性波のエネルギーが共振領域５０の外に漏れることを抑制する。これにより、Ｑ値が高くなる。挿入膜２８のヤング率は、圧電膜１４のヤング率より小さいことが好ましく、圧電膜１４のヤング率の９０％以下がより好ましく、８０％以下がより好ましい。

【0048】

図８（ｂ）を参照し、実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆは、挿入膜２８を金属とすると高くなる。挿入膜２８を金属とすることにより共振領域５０における弾性波の電界分布が揃うためと推測される。

【0049】

しかしながら、比較例１のように均一な挿入膜２８では、スプリアスが大きくなることがわかった。共振器のスプリアスが大きいと、共振器を用いてフィルタを形成した場合に、通過帯域にリップルが生じ、損失が大きくなってしまう。

【0050】

図９は、フィルタにおける通過特性の例を示す図である。破線は、理想的な通過特性を示している。実線は、スプリアスを有する共振器を用いたラダー型フィルタにおける通過特性を計算した例である。共振器のスプリアスに起因し、通過帯域にリップルが発生し、損失が劣化する。このように、共振器のスプリアスを抑制することが求められる。

【0051】

実施例１、比較例１および比較例２について、共振器を作製した。試作した実施例１、比較例１および比較例２は以下である。
実施例１：挿入膜２８あり、切欠き５８あり
比較例１：挿入膜２８あり、切欠きなし
比較例２：挿入膜２８なし

【0052】

積層膜１８の各膜厚および材料は図１（ａ）から図１（ｄ）の２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器として例示したものとした。圧電膜１４はＡｌＮを主成分とする。共振領域５０の形状は短軸長が９０μｍ、長軸長が１４０μｍの楕円形状である。挿入膜２８は酸化シリコンを主成分とする。挿入膜２８の膜厚は約１５０ｎｍである。共振領域５０と挿入膜２８との重なる幅（外周領域５２の幅）は約３μｍである。挿入膜２８の共振領域５０外の幅（領域５６の幅）は６μｍである。切欠き５８の径方向（例えば短軸方向）の長さは３μｍである。切欠き５８の周方向（例えば長軸方向）の長さは３μｍである。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向の中間位置に設けられている。

【0053】

図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例１および比較例１に係る共振器の周波数に対する減衰量を示す図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、それぞれＳ１１およびＳ２１を示している。共振点ｆｒは１９５１．５ＭＨｚである。挿入膜２８および切欠き５８は、図３（ｂ）の形状のものである。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、Ｓ１１およびＳ２１ともに、実施例１のスプリアスは比較例１より小さい。

【0054】

図１１は、実施例１、比較例１および２に係る共振器の反共振点のＱ値を示す図である。実施例１のＱ値は比較例２より高く、比較例１と同程度である。このように、実施例１においては、Ｑ値は比較例１と同程度と高く、スプリアスは比較例１より抑制できる。

【0055】

挿入膜２８および切欠き５８として、図６（ｂ）の形状のものの結果を示す。図１２は、実施例１に係る共振器の周波数に対する減衰量を示す図である。図１２は、Ｓ２１を示している。共振点ｆｒは１８８１．５ＭＨｚである。図１２に示すように、図６（ｂ）のような切欠き５８の形状においてもＳ２１の実施例１のスプリアスは比較例１より小さい。

【0056】

図４（ａ）から図６（ｃ）の他の形状の挿入膜２８および切欠き５８を有する共振器についてもスプリアスは比較例１より抑制されることを確認している。

【0057】

図８（ａ）および図８（ｂ）のように、挿入膜２８を設けることにより、Ｑ値を向上できる。しかし、挿入膜２８の内周で反射する弾性波により、スプリアスが発生する。実施例１によれば、挿入膜２８の共振領域５０内に切欠き５８が形成されている。これにより、スプリアスが抑制される。

【0058】

切欠き５８は、外周領域５２の径方向の一部に設けられていてもよいが、切欠き５８は、中央領域５４から共振領域５０の外周に達するように設けられることが好ましい。つまり、外周領域５２を分離するように形成されていることが好ましい。これにより、スプリアスをより抑制できる。また、切欠き５８は、共振領域５０外まで形成されていてもよい。さらに、切欠き５８は、挿入膜２８を分割するように設けられていてもよい。

【0059】

共振領域５０の外周と挿入膜２８の内周とは、切欠き５８を除き相似形であることが好ましい。これにより、Ｑ値を向上できる。例えば、挿入膜２８の内周の全体にわたり凸凹が形成されている場合、Ｑ値が向上しない。

【0060】

共振領域５０は楕円形状であり、切欠き５８は、共振領域５０の短軸近傍に形成されていることが好ましい。スプリアスは、短軸方向に伝搬する弾性波に影響される。よって、短軸近傍に切欠き５８を形成するとスプリアスをより抑制できる。切欠き５８は片側に複数形成されていてもよいが、Ｑ値の向上の観点から、片側に５個以下が好ましい。Ｑ値向上の観点から、切欠き５８の周方向の幅は、切欠き５８の径方向の長さ以下が好ましい。

【0061】

Ｑ値向上のためには、切欠き５８は長軸近傍には形成されていないことが好ましい。例えば、切欠き５８は、短軸近傍にのみ形成されていることが好ましい。

【実施例2】

【0062】

図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例２における挿入膜付近の平面図である。図１３（ｂ）に示すように、挿入膜２８は、共振領域５０の外側に連続して形成されている。孔部３５と連通する孔３４が形成されている。挿入膜２８の短軸近傍に切欠き５８が形成されている。切欠き５８は矩形状である。その他の構成は、実施例１の図３（ａ）および図３（ｂ）と同じであり、説明を省略する。

【0063】

実施例１のように、挿入膜２８は、共振領域５０に重なり、共振領域５０外の領域５６に形成され、領域５６の外側には形成されていなくてもよい。実施例２のように、挿入膜２８は、共振領域５０外全体に形成されていてもよい。さらに、挿入膜２８は、共振領域５０以外には形成されておらず、共振領域５０内にのみ形成されていてもよい。

【実施例3】

【0064】

実施例３は、空隙の構成を変えた例である。図１４（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の断面図、図１４（ｂ）は、実施例３の変形例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１４（ａ）に示すように、共振領域５０の積層膜１８はドーム状ではなく、平坦である。基板１０の上面に窪みが形成されている。下部電極１２は、基板１０上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０が、基板１０の窪みに形成されている。空隙３０は共振領域５０を含むように形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。空隙３０は、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。なお、下部電極１２の下面に絶縁膜が接して形成されていてもよい。すなわち、空隙３０は、基板１０と下部電極１２に接する絶縁膜との間に形成されていてもよい。絶縁膜としては、例えば窒化アルミニウム膜を用いることができる。

【0065】

図１４（ｂ）に示すように、共振領域５０の積層膜１８はドーム状ではなく、平坦である。共振領域５０の下部電極１２の圧電膜１４とは反対側に音響反射膜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３０ａと音響インピーダンスの高い膜３０ｂとが交互に設けられている。膜３０ａおよび３０ｂの膜厚は例えばそれぞれλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３０ａと膜３０ｂの積層数は任意に設定できる。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

【0066】

なお、実施例３およびその変形例において、実施例２と同様に共振領域５０外に挿入膜２８が設けられていてもよい。また、挿入膜２８は共振領域５０外に設けられていなくてもよい。

【0067】

実施例１から３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の変形例のように、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。

【0068】

実施例１から実施例３およびその変形例において、共振領域５０が楕円形状の例を説明したが、他の形状でもよい。例えば、共振領域５０は、四角形または五角形等の多角形でもよい。

【実施例4】

【0069】

実施例４はデュプレクサの例である。図１５は、実施例４に係るデュプレクサの回路図である。図１５に示すように、デュプレクサは、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２を備えている。送信フィルタ４０は、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に接続されている。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に接続されている。共通端子Ａｎｔとグランドとの間には、整合回路としてインダクタＬ１が設けられている。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。インダクタＬ１は、送信フィルタ４０を通過した送信信号が受信フィルタ４２に漏れず共通端子Ａｎｔから出力されるようにインピーダンスを整合させる。

【0070】

送信フィルタ４０は、ラダー型フィルタである。送信端子Ｔｘ（入力端子）と共通端子Ａｎｔ（出力端子）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。送信端子Ｔｘと共通端子Ａｎｔ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。並列共振器Ｐ１からＰ３のグランド側は共通にインダクタＬ２を介し接地されている。直列共振器、並列共振器およびインダクタ等の個数や接続は所望の送信フィルタ特性を得るため適宜変更可能である。直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３の少なくとも１つを実施例１から３および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。

【0071】

図１６（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１７は、送信フィルタの挿入膜の平面図である。図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すように、実施例２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。圧電膜１４に開口３６が形成され、挿入膜２８に開口３７が設けられている。開口３６および３７を介し下部電極１２と電気的に接続することができる。挿入膜２８には切欠き５８が形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。各共振器Ｓ１からＳ４および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。

【0072】

受信フィルタ４２は、ラダー型フィルタでもよく、多重モードフィルタでもよい。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ラダー型フィルタまたはラティス型フィルタとすることができる。また、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方の少なくとも１つの共振器を実施例１から３および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。

【0073】

フィルタが実施例１から３および変形例の圧電薄膜共振器を含む。これにより、共振器のＱ値が向上し、フィルタのスカート特性を向上できる。また、共振周波数近傍のスプリアスが抑制できるため、通過帯域の損失を改善できる。

【0074】

また、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１から３および変形例の圧電薄膜共振器を含むフィルタとすることができる。

【0075】

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。

【符号の説明】

【0076】

１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
５８ 切欠き

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】