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(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2020-202413(P2020-202413A)
(43)【公開日】2020年12月17日
(54)【発明の名称】圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサ
(51)【国際特許分類】
H03H 9/17 20060101AFI20201120BHJP
H03H 9/54 20060101ALI20201120BHJP
【ＦＩ】
H03H9/17 F
H03H9/54 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2019-105698(P2019-105698)
(22)【出願日】2019年6月5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】田中 邦明
(72)【発明者】
【氏名】石田 守
(72)【発明者】
【氏名】谷口 眞司
【テーマコード（参考）】
5J108
【Ｆターム（参考）】
5J108AA07
5J108BB08
5J108CC04
5J108CC09
5J108DD06
5J108EE03
(57)【要約】
【課題】安定な特性を得ること。【解決手段】基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と平面視において重なる領域で規定される共振領域を形成するように設けられた上部電極と、前記共振領域の外周のうち前記上部電極の外周で規定される外周と前記圧電膜の端面との間における前記下部電極および前記圧電膜を含む積層膜に前記共振領域から離れて設けられ、前記共振領域との間には設けられていない付加膜または溝と、を備える圧電薄膜共振器。
【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下部電極と、
前記下部電極上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と平面視において重なる領域で規定される共振領域を形成するように設けられた上部電極と、
前記共振領域の外周のうち前記上部電極の外周で規定される外周と前記圧電膜の端面との間における前記下部電極および前記圧電膜を含む積層膜に前記共振領域から離れて設けられ、前記共振領域との間には設けられていない付加膜または溝と、
を備える圧電薄膜共振器。
前記基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と平面視において重なる領域で規定される共振領域を形成するように設けられた上部電極と、
前記共振領域の外周のうち前記上部電極の外周で規定される外周と前記圧電膜の端面との間における前記下部電極および前記圧電膜を含む積層膜に前記共振領域から離れて設けられ、前記共振領域との間には設けられていない付加膜または溝と、
を備える圧電薄膜共振器。
【請求項2】
前記付加膜または前記溝の幅および前記共振領域と前記付加膜または前記溝との間の幅は、前記共振領域における前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極の合計の厚さの０．２倍以上かつ１．５倍以下である請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項3】
前記共振領域と前記付加膜または前記溝との間の幅は、前記共振領域と前記付加膜または前記溝との間の領域における平面方向に伝搬する弾性波の波長の０．２倍以上かつ０．８倍以下であり、
前記付加膜または前記溝の幅は、前記付加膜が設けられた領域における平面方向に伝搬する弾性波の波長の０．２倍以上かつ０．８倍以下である請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
前記付加膜または前記溝の幅は、前記付加膜が設けられた領域における平面方向に伝搬する弾性波の波長の０．２倍以上かつ０．８倍以下である請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項4】
前記付加膜の厚さまたは前記溝の深さは、前記下部電極および前記圧電膜の合計の厚さの０．０５倍以上である請求項２または３に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項5】
前記付加膜または前記溝は、前記基板と前記積層膜との間、前記積層膜内または前記積層膜上に設けられた付加膜を含む請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項6】
前記付加膜または前記溝は、前記基板の前記積層膜側の面または前記積層膜が含む複数の層に設けられた溝を含む請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項7】
前記付加膜または前記溝は、前記共振領域と前記圧電膜の端面とを結ぶ方向に互いに離れて複数設けられている請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項8】
前記付加膜または前記溝は、前記共振領域と前記圧電膜の端面とを結ぶ方向に互いに離れて３個以上設けられている請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項9】
前記共振領域の中央領域に設けられておらず、前記共振領域内において前記共振領域の外周に沿って前記中央領域の少なくとも一部を囲うように、前記下部電極と前記上部電極との間に挿入され挿入膜を備える請求項１から８のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項10】
請求項１から９のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
【請求項11】
請求項１０に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関し、例えば付加膜または溝を有する圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関する。
【背景技術】
【0002】
携帯電話等の無線端末の高周波回路用に圧電薄膜共振器を有するフィルタやマルチプレクサが用いられている。圧電薄膜共振器は、下部電極、圧電膜および上部電極が積層された積層膜を有している。圧電膜の少なくとも一部を挟み下部電極と上部電極とが対向する領域は弾性波が振動する共振領域である。共振領域内の圧電膜に挿入膜を挿入することが知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１５−９５７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
共振領域の外周領域に挿入膜を挿入することによりＱ値等の特性が向上できる。しかしながら、圧電膜の端面の位置により、Ｑ値等の特性が変化してしまう。
【0005】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、安定な特性を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と平面視において重なる領域で規定される共振領域を形成するように設けられた上部電極と、前記共振領域の外周のうち前記上部電極の外周で規定される外周と前記圧電膜の端面との間における前記下部電極および前記圧電膜を含む積層膜に前記共振領域から離れて設けられ、前記共振領域との間には設けられていない付加膜または溝と、を備える圧電薄膜共振器である。
【0007】
上記構成において、前記付加膜または前記溝の幅および前記共振領域と前記付加膜または前記溝との間の幅は、前記共振領域における前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極の合計の厚さの０．２倍以上かつ１．５倍以下である構成とすることができる。
【0008】
上記構成において、前記共振領域と前記付加膜または前記溝との間の幅は、前記共振領域と前記付加膜または前記溝との間の領域における平面方向に伝搬する弾性波の波長の０．２倍以上かつ０．８倍以下であり、前記付加膜または前記溝の幅は、前記付加膜が設けられた領域における平面方向に伝搬する弾性波の波長の０．２倍以上かつ０．８倍以下である構成とすることができる。
【0009】
上記構成において、前記付加膜の厚さまたは前記溝の深さは、前記下部電極および前記圧電膜の合計の厚さの０．０５倍以上である構成とすることができる。
【0010】
上記構成において、前記付加膜または前記溝は、前記基板と前記積層膜との間、前記積層膜内または前記積層膜上に設けられた付加膜を含む構成とすることができる。
【0011】
上記構成において、前記付加膜または前記溝は、前記基板の前記積層膜側の面または前記積層膜が含む複数の層に設けられた溝を含む構成とすることができる。
【0012】
上記構成において、前記付加膜または前記溝は、前記共振領域と前記圧電膜の端面とを結ぶ方向に互いに離れて複数設けられている構成とすることができる。
【0013】
上記構成において、前記付加膜または前記溝は、前記共振領域と前記圧電膜の端面とを結ぶ方向に互いに離れて３個以上設けられている構成とすることができる。
【0014】
上記構成において、前記共振領域の中央領域に設けられておらず、前記共振領域内において前記共振領域の外周に沿って前記中央領域の少なくとも一部を囲うように、前記下部電極と前記上部電極との間に挿入され挿入膜を備え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フィルタである。
【0016】
本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、安定な特性を得ることを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、図面を参照し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、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ａ）は、主に下部電極１２、圧電膜１４、上部電極１６および付加膜１７を図示している。
【0021】
図１（ａ）および図１（ｂ）を参照し、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。基板１０は例えばシリコン（Ｓｉ）基板である。下部電極１２は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａおよび上層１２ｂは例えばそれぞれクロム（Ｃｒ）膜およびルテニウム（Ｒｕ）膜である。
【0022】
下部電極１２上に、圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は、例えばＣ軸配向性を有する窒化アルミニウムを主成分とする。圧電膜１４は、下部電極１２上に設けられた下部圧電膜１４ａと下部圧電膜１４ａ上に設けられた上部圧電膜１４ｂとを含む。
【0023】
圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａおよび上層１６ｂは例えばそれぞれルテニウム膜およびクロム膜である。共振領域５０は、圧電膜１４の少なくとも一部を挟み下部電極１２と上部電極１６とが平面視において重なる領域で規定される。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。平面視において共振領域５０は空隙３０に重なり、空隙３０は共振領域５０と同じか大きい。すなわち、平面視において共振領域５０の全ては空隙３０と重なる。
【0024】
下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８が設けられている。挿入膜２８は例えば酸化シリコン膜である。挿入膜２８は共振領域５０内の中央領域５４に設けられておらず、共振領域５０内において中央領域５４を囲み共振領域５０の外周に沿う外周領域５２に設けられている。挿入膜２８は、中央領域５４を囲む少なくとも一部の領域に設けられていればよい。
【0025】
引き出し領域５８および６０はそれぞれ下部電極１２および上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域である。引き出し領域５８では共振領域５０の外周は上部電極１６の外周により規定され、下部電極１２の外周は共振領域５０の外周より外側に位置する。引き出し領域６０では共振領域５０の外周は下部電極１２の外周により規定され、上部電極１６の外周は共振領域５０の外周より外側に位置する。これにより、下部電極１２と上部電極１６の位置合わせがずれても共振領域５０の面積の変化を小さくできる。
【0026】
引き出し領域５８では、上部圧電膜１４ｂの端面６２は共振領域５０の外周より外側に位置する。下部圧電膜１４ａの端面６４は上部圧電膜１４ｂの端面６２より外側に位置する。下部圧電膜１４ａの端面６４は上部圧電膜１４ｂの端面６２と略一致していてもよい。領域５６は、上部圧電膜１４ｂの端面と共振領域５０の外周との間の領域である。
【0027】
領域５６において、圧電膜１４上に複数の付加膜１７が設けられている。複数の付加膜１７は、共振領域５０から離れる方向に配列し、共振領域５０を囲むように設けられている。
【0028】
上部電極１６および付加膜１７を覆うように周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が形成されている。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。
【0029】
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。
【0030】
図２は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図２は、領域５６を共振領域５０に比べ横方向に拡大した図である。図２に示すように、領域５６では、下部電極１２、挿入膜２８および圧電膜１４を含む積層膜１８上に付加膜１７が設けられている。付加膜１７は、下層１６ａおよび上層１６ｂを備えている。複数の付加膜１７は周期的に設けられている。
【0031】
領域５６ａに付加膜１７が設けられている。付加膜１７の共振領域５０と端面６２との方向における幅はＤ１である。隣接する付加膜１７の間の領域５６ｂには付加膜１７が設けられていない。領域５６ｂの幅はＤ２である。最も内側の付加膜１７と共振領域５０と間の領域５６ｃには付加膜１７は設けられていない。領域５６ｃの幅はＤ３である。最も外側の付加膜１７と端面６２との間の領域５６ｄには付加膜が設けられていない。領域５６ｄの幅はＤ４である。複数の付加膜１７の幅Ｄ１は互いに製造誤差程度に略等しく、付加膜１７の間の幅Ｄ２は互いに製造誤差程度に略等しく、幅Ｄ２およびＤ３は、互いに製造誤差程度に略等しい。幅Ｄ４は後述のようにばらつく。領域５６の幅はＤ５である。
【0032】
基板１０としては、シリコン基板以外にサファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、石英基板、水晶基板、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、上部電極１６および付加膜１７としては、ルテニウムおよびクロム以外にもアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはイリジウム（Ｉｒ）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をルテニウム、上層１６ｂを、モリブデンとしてもよい。付加膜１７は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等の絶縁膜でもよい。
【0033】
圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）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、スカンジウム（Ｓｃ）、２族元素もしくは１２族元素と４族元素との２つの元素、または２族元素もしくは１２族元素と５族元素との２つの元素を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上する。このため、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。２族元素は、例えばカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ストロンチウム（Ｓｒ）であり、１２族元素は例えば亜鉛（Ｚｎ）である。４族元素は、例えばチタン、ジルコニウム（Ｚｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）である。５族元素は、例えばタンタル、ニオブ（Ｎｂ）またはバナジウム（Ｖ）である。さらに、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、ボロン（Ｂ）を含んでもよい。
【0034】
挿入膜２８は、圧電膜１４よりヤング率および／または音響インピーダンスが小さい材料である。挿入膜２８は、酸化シリコン以外に、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅、チタン、白金、タンタルまたはクロ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。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膜等の窒化金属膜または酸化金属膜を用いることができる。
【0035】
［実施例１の製造方法］図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施例１に係る圧電薄膜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、基板１０上に犠牲層３８を例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜する。犠牲層３８は、例えば厚さが１０ｎｍから１００ｎｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）または酸化シリコン（ＳｉＯ２）等である。その後、犠牲層３８を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法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。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。その後、下部電極１２を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法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。
【0036】
図３（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に下部圧電膜１４ａを、例えばスパッタリング法または真空蒸着法を用い成膜する。下部圧電膜１４ａ上に挿入膜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法およびエッチング法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、挿入膜２８および下部圧電膜１４ａ上に上部圧電膜１４ｂを、例えばスパッタリング法または真空蒸着法を用い成膜する。下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂにより圧電膜１４が形成される。圧電膜１４上に上部電極１６として下層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。その後、上部電極１６および付加膜１７を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。上部電極１６および付加膜１７は、リフトオフ法により形成してもよい。上部圧電膜１４ｂをフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。下部圧電膜１４ａを挿入膜２８をマスクにエッチングする。
【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法およびエッチング法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。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。これにより、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（ｂ）に示した圧電薄膜共振が製造される。
【0039】
［比較例１］図４は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図４に示すように、比較例１では領域５６に付加膜１７は形成されていない。その他の構成は実施例１と同じである。
【0040】
［シミュレーション１］領域５６の幅Ｄ５を変え、比較例１における反共振周波数におけるＱ値（Ｑａ）をシミュレーションした。シミュレーション条件は以下である。
周波数調整膜２４：厚さが５２ｎｍの酸化シリコン膜
上層１６ｂ：厚さが２２ｎｍのクロム膜
下層１６ａ：厚さが２１９ｎｍのルテニウム膜
挿入膜２８:厚さが１５０ｎｍの酸化シリコン膜
圧電膜１４：厚さが１１６３ｎｍのマグネシウム、ハフニウム添加の窒化アルミニウム膜
上層１２ｂ：厚さが２７８ｎｍのルテニウム膜
下層１２ａ：厚さが９６ｎｍのクロム膜
基板１０：シリコン基板
共振領域５０の幅：８４μｍ
シミュレーションは、１８００ＭＨｚから２１００ＭＨｚの交流電圧を下部電極１２と上部電極１６との間に印加しアドミッタンスの周波数依存を算出した。算出結果をｍＢＶＤモデルでフィッティングし、Ｑａを算出した。
【0041】
図５は、シミュレーション１における幅Ｄ５に対するＱａを示す図である。図５に示すように、領域５６の幅Ｄ５が変化すると反共振周波数におけるＱ値Ｑａが変化する。下部電極１２に電気的に接続するためには下部電極１２上の圧電膜１４を例えばエッチング法を用い除去する。圧電膜１４をエッチングするときのサイドエッチング量はウエハ内およびウエハ間で変動する。特に、圧電膜１４の厚さが付加膜１７に比べ厚いとき、および／または、圧電膜１４をウェットエッチング法を用いエッチングするとき、圧電膜１４のサイドエッチング量が変動しやすい。このため、Ｄ５が変動し、Ｑ値等の特性の変動が大きくなる。
【0042】
［シミュレーション２］次に、１個の付加膜１７を設けた圧電薄膜共振器についてシミュレーションした。シミュレーション条件は以下である。
付加膜１７の個数：１個
領域５６の幅Ｄ５：５０μｍ
付加膜１７の幅Ｄ１および共振領域５０と付加膜１７と間の領域５６ｃの幅Ｄ３を変えた。その他のシミュレーション条件はシミュレーション１と同じである。
【0043】
図６は、シミュレーション２における幅Ｄ１とＤ３に対するＱａを示す図である。図６に示すように、おおむね幅Ｄ１と幅Ｄ３の和に対しＱａが変動している。Ｑａが極大となるのは、Ｄ１＝１．８μｍおよびＤ３＝２．２μｍのときである。
【0044】
［シミュレーション３］一定の周期で付加膜１７の個数を変え圧電薄膜共振器についてシミュレーションした。シミュレーション条件は以下である。
付加膜１７の幅Ｄ１：１．８μｍ
領域５６ｂおよび５６ｃの幅Ｄ２、Ｄ３：２．２μｍ
付加膜１７の個数および領域５６ｄの幅Ｄ４を変化させた。その他のシミュレーション条件はシミュレーション１と同じである。
【0045】
図７（ａ）および図７（ｂ）は、シミュレーション３におけるＤ４に対するＱａを示す図である。図７（ａ）は、付加膜１７の個数が、０、１、２および３個を示し、図７（ｂ）は、付加膜１７の個数が、０、４、５および６個を示す。付加膜１７の個数が０個のときの横軸はＤ５である。各ドットはシミュレーション点を示し、各線はドットをつなぐ線である。
【0046】
図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、付加膜１７の個数が０個に比べ、付加膜１７の個数を増やすとＱａが大きくなる。また、Ｄ４またはＤ５に対するＱａの変動が小さくなる。
【0047】
図８は、シミュレーション３における付加膜の個数に対するＱａの平均および標準偏差を示す図である。Ｑａ平均のドットに付加されたエラーバーは最大値および最小値を示す。図８に示すように、付加膜１７の個数が増えるとＱａの平均値が大きくなる。また、付加膜１７の個数が増えるとＱａの標準偏差およびエラーバーの大きさが小さくなる。
【0048】
共振領域５０から横方向（圧電膜１４の平面方向）に伝搬する弾性波（横モード弾性波）が漏洩するとＱ値等が低下する。挿入膜２８の内周において横モード弾性波が反射することでＱ値等を向上できる。付加膜１７を設けると共振領域５０の外周、付加膜１７の両端部で横モード弾性波が反射する。さらに、付加膜１７の個数を増やすと横モード弾性波が反射する箇所が増えるためＱ値等を向上できると考えられる。
【0049】
シミュレーション１において、Ｄ５に対するＱａの変動が大きくなる理由は、圧電膜１４の端面６２で反射した横モード弾性波の位相が幅Ｄ５によって変わるためと考えられる。付加膜１７の個数を増やすと、端面６２まで到達する横モード弾性波が減るため、Ｄ４を変えてもＱａの変動は小さいと考えられる。付加膜１７の個数が増えれば、端面６２まで到達する横モード弾性波が減るため、Ｑａの変動はより小さくなると考えられる。
【0050】
共振領域５０、付加膜１７が設けられていない領域５６ｂから５６ｄおよび付加膜１７が設けられた領域５６ａにおける横モード弾性波の波数を、板波の分散特性から算出した。波数から反共振周波数を１９０６ＭＨｚとして横モード弾性波の波長を算出した。
【0051】
表１は、各領域における横モード弾性波の波数および波長を示す表である。【表1】
【0052】
表１に示すように、領域５６ｂから５６ｄでは共振領域５０より横モード弾性波の波長が長く、領域５６ａでは共振領域５０より横モード弾性波の波長が短い。図６において、Ｑａが極大となるＤ３＝２．２μｍは表１の領域５６ａの横モード弾性波の波長の１／２に近く、Ｄ１＝１．８μｍは表１の領域５６ｂから５６ｄの横モード弾性波の波長の１／２に近い。このように、幅Ｄ１からＤ３が横モード弾性波の波長の１／２に近いとＱ値等が向上する。
【0053】
以上の観点から、幅Ｄ１は、領域５６ａにおける横モード弾性波の波長の０．２倍以上かつ０．８倍以下が好ましく、０．３倍以上かつ０．７倍以下がより好ましく、０．４倍以上かつ０．６倍以下がさらに好ましい。幅Ｄ２およびＤ３は、領域５６ｂおよび５６ｃにおける横モード弾性波の波長の０．２倍以上かつ０．８倍以下が好ましく、０．３倍以上かつ０．７倍以下がより好ましく、０．４倍以上かつ０．６倍以下がさらに好ましい。
【0054】
共振領域５０における縦モードの弾性波の波長は下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６の厚さの合計である１．７８μｍのほぼ２倍である。周波数調整膜２４は他の層に比べ薄いため無視した。幅Ｄ１からＤ３を横モード弾性波の波長の０．２倍以上かつ０．８倍以下とするためには、幅Ｄ１からＤ３を下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６の厚さの０．２倍以上かつ１．２倍以下とすることが好ましく、０．３倍以上かつ１．１倍以下とすることがより好ましく、０．６倍以上かつ１．０倍以下とすることがさらに好ましい。
【0055】
付加膜１７における下層１６ａの厚さを変え、領域５６ａにおける横モード弾性波の波数および波長を算出した。表２は、付加膜１７の下層１６ａの厚さＴ１６ａ、付加膜１７の厚さＴ１７の領域５６ａにおける積層膜１８（下部電極１２、圧電膜１４および挿入膜２８）の厚さＴに対する比Ｔ１７／Ｔ、波数、波長および領域５６ｂおよび５６ｃにおける波数との波数差を示す表である。周波数調整膜２４の厚さは無視した。【表2】
【0056】
表２に示すように、付加膜１７が厚くなると、波数が大きくなり波長は小さくなる。領域５６ａと領域５６ｂからｄ５６ｄとの波数差が大きくなると横モード弾性波の音響インピーダンス差が大きくなる。このため、領域５６ａと領域５６ｂから５６ｄとの境界における横モード弾性波の反射率が大きくなる。これにより、Ｑ値等がより向上する。また、波数が大きくなると幅Ｄ１を小さくできるため小型化が可能となる。
【0057】
以上の観点から付加膜１７の厚さＴ１７は積層膜１８の厚さＴの０．０５倍以上が好ましく、０．１倍以上がより好ましい。付加膜１７が厚くなると付加膜１７の加工精度が悪くなる。よってＴ１７／Ｔは１以下が好ましく、０．５以下がより好ましい。
【0058】
図９（ａ）から図１５（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例１から２０に係る圧電薄膜共振器の断面図である。
【0059】
[実施例１の変形例１]図９（ａ）に示すように、実施例１の変形例１では、領域５６ａにおいて、付加膜１５は圧電膜１４上に設けられ、圧電膜１４と同じ材料からなる。領域５６ｂから５６ｄには付加膜１５は設けられていない。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】
[実施例１の変形例２]図９（ｂ）に示すように、実施例１の変形例２では、領域５６ａにおいて、付加膜２７は挿入膜２８と上部圧電膜１４ｂとの間に設けられ、挿入膜２８と同じ材料からなる。領域５６ｂから５６ｄには付加膜２７は設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0061】
[実施例１の変形例３]図９（ｃ）に示すように、実施例１の変形例３では、領域５６ａにおいて、付加膜１３は下部電極１２と圧電膜１４との間に設けられ、下部電極１２の上層１２ｂと同じ材料からなる。領域５６ｂから５６ｄには付加膜１３は設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0062】
[実施例１の変形例４]図１０（ａ）に示すように、実施例１の変形例４では、領域５６ａにおいて、付加膜１３は下部電極１２の下層１２ａと上層１２ｂとの間に設けられ、下部電極１２の下層１２ａと同じ材料からなる。領域５６ｂから５６ｄには付加膜１３は設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0063】
実施例１およびその変形例１から４では、領域５６内の共振領域５０に接する領域は付加膜１３、１５、１７または２７が設けられていない領域５６ｃである。領域５６ｂから５６ｄの下部電極１２、挿入膜２８および圧電膜１４の材料および厚さは共振領域５０内の下部電極１２、挿入膜２８および圧電膜１４の材料および厚さとそれぞれ実質的に同じである。領域５６ａでは、領域５６ｂから５６ｄの積層膜１８に加え付加膜１３、１５、１７または２７が設けられている。付加膜１３、１５、１７または２７は積層膜１８内または積層膜１８上に設けられていればよい。付加膜の材料は接する層と同じ材料でもよいし、異なる材料でもよい。図９（ｂ）から図１０（ａ）では、付加膜２７および１３より上の層の上面が領域５６内で平坦であるが、付加膜２７および１３より上の層の上面に付加膜２７および１３に対応する凹凸が形成されていてもよい。
【0064】
[実施例１の変形例５]図１０（ｂ）に示すように、実施例１の変形例５では、領域５６ａにおいて、圧電膜１４の上面に溝１５ａが設けられている。領域５６ｂから５６ｄには溝１５ａは設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0065】
［実施例１の変形例６］図１０（ｃ）に示すように、実施例１の変形例６では、領域５６ａにおいて、挿入膜２８に溝２７ａが設けられている。領域５６ｂから５６ｄには溝２７ａは設けられていない。溝２７ａは挿入膜２８を貫通している。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0066】
［実施例１の変形例７］図１１（ａ）に示すように、実施例１の変形例７では、領域５６ａにおいて、下部電極１２の上層１２ｂの上面に溝１３ａが設けられている。領域５６ｂから５６ｄには溝１３ａは設けられていない。溝１３ａは上層１２ｂを貫通していない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0067】
［実施例１の変形例８］図１１（ｂ）に示すように、実施例１の変形例８では、領域５６ａにおいて、基板１０の上面に溝１１ａが設けられている。領域５６ｂから５６ｄには溝１１ａは設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0068】
実施例１の変形例５から８では、領域５６内の共振領域５０に接する領域は溝１１ａ、１３ａ、１５ａまたは２７ａが設けられていない領域５６ｃである。領域５６ｂから５６ｄの下部電極１２、挿入膜２８および圧電膜１４の材料および厚さは共振領域５０内の下部電極１２、挿入膜２８および圧電膜１４の材料および厚さとそれぞれ実質的に同じである。領域５６ａでは、領域５６ｂから５６ｄの積層膜１８の少なくとも１つの層に溝１１ａ、１３ａ、１５ａまたは２７ａが設けられている。図１０（ｃ）から図１１（ｂ）では、溝１１ａ、１３ａおよび２７ａより上の層の上面が領域５６内で平坦であるが、溝１１ａ、１３ａおよび２７ａより上の層の上面には溝１１ａ、１３ａおよび２７ａに対応する凹凸が形成されていてもよい。
【0069】
［実施例１の変形例９］図１１（ｃ）に示すように、実施例１の変形例９では、挿入膜２８が設けられていない。領域５６ａにおいて、圧電膜１４上に付加膜１７が設けられている。領域５６ｂから５６ｄには付加膜１７は設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0070】
[実施例１の変形例１０]図１２（ａ）に示すように、実施例１の変形例１０では、挿入膜２８が設けられていない。領域５６ａにおいて、付加膜１５は圧電膜１４上に設けられ、圧電膜１４と同じ材料からなる。領域５６ｂから５６ｄには付加膜１５は設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0071】
[実施例１の変形例１１]図１２（ｂ）に示すように、実施例１の変形例１１では、挿入膜２８が設けられていない。領域５６ａにおいて、付加膜１３は下部電極１２と圧電膜１４との間に設けられ、下部電極１２の上層１２ｂと同じ材料からなる。領域５６ｂから５６ｄには付加膜１３は設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0072】
[実施例１の変形例１２]図１２（ｃ）に示すように、実施例１の変形例１２では、挿入膜２８が設けられていない。領域５６ａにおいて、付加膜１３は下部電極１２の下層１２ａと上層１２ｂとの間に設けられ、下部電極１２の下層１２ａと同じ材料からなる。領域５６ｂから５６ｄには付加膜１３は設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0073】
［実施例１の変形例１３］図１３（ａ）に示すように、実施例１の変形例１３では、挿入膜２８が設けられていない。領域５６ａにおいて、圧電膜１４の上面に溝１５ａが設けられている。領域５６ｂから５６ｄには溝１５ａは設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0074】
［実施例１の変形例１４］図１３（ｂ）に示すように、実施例１の変形例１４では、挿入膜２８が設けられていない。領域５６ａにおいて、下部電極１２の上層１２ｂの上面に溝１３ａが設けられている。領域５６ｂから５６ｄには溝１３ａは設けられていない。溝１３ａは上層１２ｂを貫通していない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0075】
［実施例１の変形例１５］図１３（ｃ）に示すように、実施例１の変形例１５では、挿入膜２８が設けられていない。領域５６ａにおいて、基板１０の上面に溝１１ａが設けられている。領域５６ｂから５６ｄには溝１１ａは設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0076】
実施例１の変形例９から１５のように、共振領域５０および領域５６に挿入膜２８は設けられていなくてもよい。
【0077】
［実施例１の変形例１６］図１４（ａ）に示すように、実施例１の変形例１６では、付加膜１７ｄは領域５６ａおよび５６ｂに設けられ、領域５６ｃおよび５６ｄには設けられていない。付加膜１７ｃは領域５６ａに設けられ、領域５６ｂから５６ｄには設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0078】
［実施例１の変形例１７］図１４（ｂ）に示すように、実施例１の変形例１７では、付加膜１７の厚さが共振領域５０側から端面６４側にかけて小さくなる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0079】
［実施例１の変形例１８］図１４（ｃ）に示すように、実施例１の変形例１８では、付加膜１７の厚さが共振領域５０側から端面６４側にかけて大きくなる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0080】
実施例１の変形例１６から１８のように、付加膜の厚さは均一でなくてもよい。実施例１およびその変形例１から１５においても付加膜の厚さまたは溝の深さは均一でなくてもよい。
【0081】
［実施例１の変形例１９］図１５（ａ）は、実施例１の変形例１９に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１５（ａ）に示すように、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。
【0082】
［実施例１の変形例２０］図１５（ｂ）は、実施例１の変形例２０に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１５（ｂ）に示すように、共振領域５０の下部電極１２下に音響反射膜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高い膜３１ａと音響インピーダンスの低い膜３１ｂとが交互に設けられている。膜３１ａおよび３１ｂの膜厚は例えばそれぞれほぼλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３１ａと膜３１ｂの積層数は任意に設定できる。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３１の音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。例えば、音響反射膜３１は、基板１０中に音響インピーダンスの異なる膜が一層設けられている構成でもよい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
【0083】
実施例１およびその変形例１から１９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１の変形例２０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。音響反射層は、空隙３０または音響反射膜３１を含めばよい。
【0084】
実施例１およびその変形例１から８および１６から２０において、挿入膜２８が共振領域５０の外周領域５２に設けられているが、挿入膜２８は共振領域５０の中央領域５４を囲むように外周領域５２の少なくとも一部に設けられていればよい。挿入膜２８は共振領域５０の外側に設けられてなくてもよい。挿入膜２８は、共振領域５０内の少なくとも一部に設けられていればよい。実施例１およびその変形例において、共振領域５０の平面形状として楕円形状を例に説明したが、四角形状または五角形状等の多角形状でもよい。
【0085】
実施例１およびその変形例によれば、付加膜１３、１５、１７および２７または溝１１ａ、１３ａおよび１５ａは、領域５６（すなわち共振領域５０の外周のうち上部電極１６の外周で規定される外周と圧電膜１４の端面６２との間の領域）における積層膜１８に共振領域５０から離れて設けられ、共振領域５０との間には設けられていない。これにより、共振領域５０から平面方向に伝搬する横モード弾性波が共振領域５０の外周、付加膜または溝の共振領域５０側の端部、および付加膜または溝の端面６２側の端部の少なくとも３箇所で反射される。これにより、横モード弾性波の共振領域５０外への漏洩が抑制され、Ｑ値等の特性が向上する。また、端面６２まで伝搬する弾性波が少なくなるため、端面６２の位置の変動に起因する特性の変動が抑制され、特性が安定化する。
【0086】
付加膜または溝の幅Ｄ１および共振領域５０と付加膜または溝との間の幅Ｄ３は、共振領域５０における下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６の合計の厚さの０．２倍以上かつ１．５倍以下である。これにより、少なくとも３箇所で反射された弾性波の位相が異なる。よって、Ｑ値等の特性がより向上し、特性がより安定化する。Ｄ１およびＤ３は、各々下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６の合計の厚さの０．３倍以上かつ１．１倍以下とすることがより好ましく、０．６倍以上かつ１．０倍以下とすることがさらに好ましい。
【0087】
幅Ｄ３は、共振領域５０と付加膜または溝との間の領域５６ｃにおける平面方向に伝搬する弾性波の波長の０．２倍以上かつ０．８倍以下である。幅Ｄ１は、付加膜または溝が設けられた領域５６ａにおける平面方向に伝搬する弾性波の波長の０．２倍以上かつ０．８倍以下である。これにより、少なくとも３箇所で反射された弾性波の位相が異なる。よって、Ｑ値等の特性がより向上し、特性がより安定化する。Ｄ１およびＤ３は、各々平面方向に伝搬する弾性波の波長の０．３倍以上かつ０．７倍以下がより好ましく、０．４倍以上かつ０．６倍以下がさらに好ましい。
【0088】
付加膜の厚さまたは溝の深さは、下部電極１２および圧電膜１４の合計の厚さの０．０５倍以上である。これにより、付加膜または溝の両端部での弾性波の反射率が大きくなる。よって、Ｑ値等の特性がより向上し、特性がより安定化する。付加膜の厚さまたは溝の深さは、下部電極１２および圧電膜１４の合計の厚さの０．１倍以上がより好ましい。付加膜の厚さまたは溝の深さは、下部電極１２および圧電膜１４の合計の厚さの１以下が好ましく、０．５以下がより好ましい。
【0089】
付加膜または溝は、基板１０と積層膜１８との間、積層膜１８内または積層膜１８上に設けられた付加膜１３、１５、１７および２７を含んでもよいし、基板１０の積層膜１８側の面または積層膜１８が含む層に設けられた溝１１ａ、１３ａおよび１５ａを含んでもよい。
【0090】
付加膜または溝は、共振領域５０と圧電膜１４の端面６２とを結ぶ方向に互いに離れて複数設けられている。これにより、Ｑ値等の特性がより向上し、特性がより安定化する。付加膜または溝は、３個以上設けられていることが好ましく、４個以上設けられていることが好ましい。個数が多くなると大型化するため、付加膜または溝は、１０個以下が好ましい。
【0091】
中央領域５４に設けられておらず、共振領域５０内において共振領域５０の外周に沿って中央領域５４の少なくとも一部を囲うように、下部電極１２と上部電極１６との間に挿入され挿入膜２８を備えてもよい。これにより、Ｑ値をより向上できる。
【実施例2】
【0092】
実施例２は、実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いたフィルタおよびデュプレクサの例である。図１６（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図１６（ａ）に示すように、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔ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。入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔ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。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４および１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ３の少なくとも１つの共振器に実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いることができる。ラダー型フィルタの共振器の個数等は適宜設定できる。
【0093】
図１６（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図１６（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。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。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２のフィルタとすることができる。
【0094】
マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。
【0095】
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】
【0096】
１０ 基板１１ａ、１３ａ、１５ａ溝
１２ 下部電極
１３、１５、１７、２７ 付加膜
１４ 圧電膜
１４ａ 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１６ 上部電極
１８ 積層膜
２８ 挿入膜
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
５６、５６ａ−５６ｄ 領域