特開 2015-95729 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2015-95729(P2015-95729A)

(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 9/54 20060101ALI20150421BHJP

   H03H 9/70 20060101ALI20150421BHJP

【ＦＩ】

   H03H9/17 F

   H03H9/54 Z

   H03H9/70

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-233421(P2013-233421)

(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】横山 剛

(72)【発明者】

【氏名】西原 時弘

(72)【発明者】

【氏名】坂下 武

【テーマコード（参考）】

5J108

【Ｆターム（参考）】

5J108AA07

5J108BB08

5J108CC04

5J108CC11

5J108EE03

5J108EE04

5J108EE07

5J108EE13

5J108FF02

5J108FF05

5J108HH03

5J108HH04

5J108HH05

5J108HH06

5J108JJ01

5J108KK01

(57)【要約】

【課題】圧電薄膜共振器のＱ値を向上させること。
【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には設けられていない挿入膜２８と、を具備し、前記下部電極の端面５８は、前記下部電極の下面が上面に対し大きくなるようなテーパーを有し、前記上部電極が前記共振領域から引き出される側における前記共振領域内の前記挿入膜の幅Ｗ１は、前記下部電極が前記共振領域から引き出される側における前記共振領域内の前記挿入膜の幅Ｗ２より広い圧電薄膜共振器。
【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いない挿入膜と、
を具備し、
前記下部電極の端面は、前記下部電極の下面が上面に対し大きくなるようなテーパーを有し、
前記上部電極が前記共振領域から引き出される側における前記共振領域内の前記挿入膜の幅は、前記下部電極が前記共振領域から引き出される側における前記共振領域内の前記挿入膜の幅より広いことを特徴とする圧電薄膜共振器。

【請求項2】

前記下部電極の端面と下面とのなす角度は、前記上部電極の端面と下面とのなす角度より小さい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】

前記上部電極が前記共振領域から引き出される側における前記共振領域内の前記挿入膜の幅と、前記下部電極が前記共振領域から引き出される側における前記共振領域内の前記挿入膜の幅と、の差は、前記テーパーに対応する長さ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３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項5】

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４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項6】

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５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項7】

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５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項8】

請求項１から７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9】

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８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。

【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いない挿入膜と、を具備し、前記下部電極の端面は、前記下部電極の下面が上面に対し大きくなるようなテーパーを有し、前記上部電極が前記共振領域から引き出される側における前記共振領域内の前記挿入膜の幅は、前記下部電極が前記共振領域から引き出される側における前記共振領域内の前記挿入膜の幅より広い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、前記下部電極の端面と下面とのなす角度は、前記上部電極の端面と下面とのなす角度より小さい構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記上部電極が前記共振領域から引き出される側における前記共振領域内の前記挿入膜の幅と、前記下部電極が前記共振領域から引き出される側における前記共振領域内の前記挿入膜の幅と、の差は、前記テーパーに対応する長さ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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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】

【0017】

本発明によれば、圧電薄膜共振器のＱ値を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【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）および図２（ｂ）は、共振領域の端付近の拡大断面図である。

【図3】図３（ａ）から図３（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4】図４（ａ）は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図４（ｂ）は、挿入膜の平面図、図４（ｃ）および図４（ｄ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図5】図５（ａ）は、ヤング率に対する反共振点のＱ値、図５（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6】図６（ａ）はおよび図６（ｂ）は、それぞれ挿入膜の幅Ｗ２およびＷ１に対する反共振点のＱ値を示す図である。

【図7】図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１における挿入膜の形状の一例を示す挿入膜付近の平面図（その１）である。

【図8】図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例１における挿入膜の形状の一例を示す挿入膜付近の平面図（その２）である。

【図9】図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施例１における挿入膜の形状の一例を示す挿入膜付近の平面図（その３）である。

【図10】図１０（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１０（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１０（ｃ）および図１０（ｄ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図11】図１１（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１１（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１１（ｃ）および図１１（ｄ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図12】図１２（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の断面図、図１２（ｂ）は、実施例４の変形例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。

【図13】図１３は、実施例５に係るデュプレクサの回路図である。

【図14】図１４（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【0019】

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】

【0020】

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。

【0021】

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。下部電極１２の端面５８は、下部電極１２の下面が上面より大きくなるようなテーパーを有している。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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１６a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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

図２（ａ）および図２（ｂ）は、共振領域の端付近の拡大断面図である。上部電極１６は、共振領域５０から左側に引き出されており、下部電極１２は、共振領域５０から右側に引き出されている。図２（ａ）は、上部電極１６が引き出される側の共振領域５０の端の拡大図であり、図２（ｂ）は、下部電極１２が引き出される側の共振領域５０の端の拡大図である。

【0030】

図２（ａ）に示すように、下部電極１２の端面５８は、端面５８と下部電極１２の下面とのなす角度θ１が鋭角となるテーパー形状を有している。これは、角度θ１が、９０°以上の場合、下部電極１２および基板１０上に圧電膜１４を形成すると、端面５８上の圧電膜１４の膜質が劣化するためである。圧電膜１４の膜質を劣化させないため、角度θ１は、例えば６０°以下であり、例えば４５°以下である。端面５８は平面でなくともよい。下部電極１２の端面５８の領域も共振領域５０として寄与する。すなわち、下部電極１２が薄い領域においても、弾性波が振動する共振領域５０となる。共振領域５０内の挿入膜２８の幅を幅Ｗ１とする。

【0031】

図２（ｂ）に示すように、上部電極１６の端面は基板１０に対しほぼ垂直である。すなわち、上部電極１６の端面と下面とのなす角度θ２は９０°である。角度θ２は、９０°より小さくてもよい。上部電極１６の角度θ２が大きくても圧電膜１４には影響しない。このため、上部電極１６の端面の角度θ２は、加工しやすいように大きくする。よって、角度θ２は角度θ１より大きくなる。共振領域５０内の挿入膜２８の幅を幅Ｗ２とする。

【0032】

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、上層１６ｂをＭｏ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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

図３（ａ）から図３（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（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。このとき、下部電極１２の端面５８がテーパーとなるような条件でパターニングする。

【0036】

図３（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。

【0037】

図３（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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

下部電極１２の端面が下面に対しほぼ直角であり、共振領域５０内の挿入膜２８の幅がほぼ一定の比較例１について、挿入膜２８の効果を調べた。図４（ａ）は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図４（ｂ）は、挿入膜の平面図、図４（ｃ）および図４（ｄ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【0042】

図４（ａ）から図４（ｄ）に示すように、挿入膜２８の端面は、挿入膜２８の下面に対し直角である。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。共振領域５０内の挿入膜２８の幅Ｗは一定である。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。

【0043】

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４（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の膜厚を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。

【0044】

図５（ａ）は、ヤング率に対する反共振点のＱ値、図５（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２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。

【0045】

図５（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。

【0046】

図５（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。

【0047】

次に、図２（ａ）および図２（ｂ）の幅Ｗ１およびＷ２を変化させ、反共振点のＱ値を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２（ａ）および図２（ｂ）のような断面の２次元解析により行なった。共振領域５０は鏡面対称とした。すなわち、共振領域５０の両側が図２（ａ）として、幅Ｗ１を変化させＱ値を算出した。同様に、共振領域５０の両側が図２（ｂ）として、幅Ｗ２を変化させＱ値を算出した。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、挿入膜２８は、酸化シリコン膜であり、膜厚は１５０ｎｍである。角度θ１は３０°であり、角度θ２は９０°である。

【0048】

図６（ａ）はおよび図６（ｂ）は、それぞれ挿入膜の幅Ｗ１およびＷ２に対する反共振点のＱ値を示す図である。破線は、挿入膜２８を設けない比較例２を示す。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、挿入膜２８を設けることにより、Ｑ値が向上する。図６（ａ）のように、幅Ｗ１が約２．７μｍのときにＱ値が最大となる。図６（ｂ）のように、幅Ｗ２が約２．４μｍのときにＱ値が最大となる。Ｗ２−Ｗ１は約０．３μｍである。挿入膜２８のテーパー領域の面方向の長さは、（挿入膜２８の膜厚＝０．１５ｎｍ）×ｃｏｔ（θ１＝３０°）＝０．２６μｍである。このように、Ｑ値が最大となる幅Ｗ２とＷ１との差は、ほぼ端面５８の面方向の長さに対応する。これは、下部電極１２の端面がテーパー状の領域は、共振領域５０としては機能するものの、挿入膜２８として機能しないためと考えられる。特に、下部電極１２の端面５８の角度θ１が鋭角となるテーパー形状とした場合、端面５８の領域の挿入膜２８は弾性波を反射する機能が小さいと考えられる。

【0049】

実施例１によれば、下部電極１２の端面５８は、下部電極１２の下面が上面に対し大きくなるようなテーパーを有する。これにより、圧電膜１４の膜質を向上できる。しかし、下部電極１２の端面５８がテーパー状のため、挿入膜２８として機能する領域が狭くなる。そこで、上部電極１６が共振領域５０から引き出される側における共振領域５０内の挿入膜２８の第１幅Ｗ１を、下部電極１２が共振領域５０から引き出される側における共振領域５０内の挿入膜２８の第２幅Ｗ２より広くする。これにより、上部電極１６の引き出し側の挿入膜２８の幅Ｗ１と、下部電極１２の引き出し側の挿入膜２８の幅Ｗ２を最適化できる。よって、弾性波の共振領域５０外への漏れを抑制し、Ｑ値を向上できる。

【0050】

角度θ１は、圧電膜１４の膜質を向上させるため小さくし、角度θ２は、上部電極１６の加工を容易に行うため大きくする。すなわち、下部電極１２の端面と基板１０の上面のなす角度θ１が、上部電極１６の端面と基板１０の上面のなす角度θ２より小さい。この場合、幅Ｗ１をＷ２より広くすることにより、Ｑ値を向上できる。

【0051】

また、第１幅Ｗ１と第２幅Ｗ２との差は、テーパーに対応する長さ（すなわち、端面５８の面方向の長さ）であることが好ましい。これにより、図６（ａ）および図６（ｂ）において説明したように、Ｑ値を向上できる。

【0052】

図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１における挿入膜の形状の一例を示す挿入膜付近の平面図である。図７（ａ）および図７（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８（ａ）から図９（ｂ）においても同様である。図７（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。共振領域５０が楕円形状となるように、下部電極１２および上部電極１６が設けられている。図７（ｂ）に示すように、挿入膜２８の外周は楕円形状である。挿入膜２８の内周は、上部電極１６の引き出し側と下部電極１２の引き出し側とで異なる楕円である。挿入膜２８の幅は、上部電極１６の引き出す側の幅Ｗ３が下部電極１２の引き出す側の幅Ｗ４より広い。これにより、幅Ｗ１がＷ２より広くなる。

【0053】

図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例１における挿入膜の形状の一例を示す挿入膜付近の平面図である。図８（ａ）に示すように、共振領域５０は、楕円形状に近いが、上部電極１６の引き出し側に少し突出している。図８（ｂ）に示すように、挿入膜２８の外周および内周は楕円形状である。挿入膜の内周と外周の中心はほぼ一致している。これにより、リング状の挿入膜２８の幅は、上部電極１６の引き出す側の幅Ｗ３と下部電極１２の引き出す側の幅Ｗ４とが同じである。しかし、共振領域５０が上部電極１６の引き出し側に突出しているため、幅Ｗ１がＷ２より広くなる。

【0054】

このように、挿入膜２８を長軸に対し非対称とし幅Ｗ３とＷ４とを異ならせることにより、幅Ｗ１とＷ２とを異ならせてもよい。共振領域５０の形状を長軸に対し非対称とすることで、幅Ｗ１とＷ２とを異ならせてもよい。挿入膜２８と共振領域５０の両方を非対称とすることにより、幅Ｗ１とＷ２とを異ならせてもよい。

【0055】

図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施例１における挿入膜の形状の一例を示す挿入膜付近の平面図である。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、挿入膜２８は複数に分割されている。挿入膜２８の間にスペース５５が形成されている。このように、挿入膜２８が複数に分割されていてもよい。

【実施例2】

【0056】

図１０（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１０（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１０（ｃ）および図１０（ｄ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１０（ａ）から図１０（ｄ）に示すように、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。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。実施例２のように、挿入膜２８は、共振領域５０の中央領域５４を除くほぼ全面に形成されていてもよい。

【実施例3】

【0057】

図１１（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１１（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１１（ｃ）および図１１（ｄ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１１（ａ）から図１１（ｄ）に示すように、挿入膜２８が共振領域５０の外側には設けられていない。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。実施例３のように、挿入膜２８は、共振領域５０以外には設けなくてもよい。

【実施例4】

【0058】

実施例４は、空隙の構成を変えた例である。図１２（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の断面図、図１２（ｂ）は、実施例４の変形例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１２（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。

【0059】

図１２（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。

【0060】

なお、実施例４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、実施例３のように、挿入膜２８は共振領域５０外に設けられていなくてもよい。

【0061】

実施例１から４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４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。

【0062】

実施例１から実施例４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5】

【0063】

実施例５はデュプレクサの例である。図１３は、実施例５に係るデュプレクサの回路図である。図１３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。

【0064】

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４および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。

【0065】

図１４（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、実施例３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。共振領域５０内の挿入膜２８の幅は、上部電極１６を引き出す側の幅Ｗ１が下部電極１２を引き出す側の幅Ｗ２より広い。その他の構成は、実施例３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。

【0066】

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４および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。

【0067】

フィルタが実施例１から４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。

【0068】

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４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。

【0069】

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】

【0070】

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 端面

【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】