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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6441761
(24)【登録日】2018年11月30日
(45)【発行日】2018年12月19日
(54)【発明の名称】圧電薄膜共振器及びフィルタ
(51)【国際特許分類】
H03H 9/17 20060101AFI20181210BHJP
H03H 9/54 20060101ALI20181210BHJP
H03H 9/70 20060101ALI20181210BHJP
【ＦＩ】
H03H9/17 F
H03H9/54 Z
H03H9/70
【請求項の数】14
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2015-150045(P2015-150045)
(22)【出願日】2015年7月29日
(65)【公開番号】特開2017-34358(P2017-34358A)
(43)【公開日】2017年2月9日
【審査請求日】2017年2月15日
(73)【特許権者】
【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
【審査官】
竹内 亨
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１５−０９５７２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−２４４６１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００６／１２９５３２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２００７／０５２３７０（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０３Ｈ ９／００−９／７６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
前記基板上に設けられ、ポアソン比が０．３３以下の圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、
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の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、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、を備え、
前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の少なくとも１つは、対応する前記共振領域の中央領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の前記少なくとも１つに比べて薄く、
前記共振領域内の外周領域の遮断周波数と前記共振領域の中央領域の遮断周波数とは、ほぼ同じであることを特徴とする圧電薄膜共振器。
前記基板上に設けられ、ポアソン比が０．３３以下の圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、
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の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、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、を備え、
前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の少なくとも１つは、対応する前記共振領域の中央領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の前記少なくとも１つに比べて薄く、
前記共振領域内の外周領域の遮断周波数と前記共振領域の中央領域の遮断周波数とは、ほぼ同じであることを特徴とする圧電薄膜共振器。
【請求項2】
基板と、
前記基板上に設けられ、ポアソン比が０．３３以下の圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、
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の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、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、を備え、
前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の少なくとも１つは、対応する前記共振領域の中央領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の前記少なくとも１つに比べて薄く、
前記共振領域内の外周領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差は、前記共振領域の中央領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差よりも小さいことを特徴とする圧電薄膜共振器。
前記基板上に設けられ、ポアソン比が０．３３以下の圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、
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の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、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、を備え、
前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の少なくとも１つは、対応する前記共振領域の中央領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の前記少なくとも１つに比べて薄く、
前記共振領域内の外周領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差は、前記共振領域の中央領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差よりも小さいことを特徴とする圧電薄膜共振器。
【請求項3】
前記共振領域内の外周領域における前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極を含む積層膜は、前記共振領域の中央領域における前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極を含む積層膜に比べて薄い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】
前記共振領域内の外周領域の前記下部電極及び前記上部電極の少なくとも一方は、前記共振領域の中央領域の前記下部電極及び前記上部電極の前記少なくとも一方に比べて、金属層の層数が少な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】
基板と、
前記基板上に設けられ、ポアソン比が０．３３以下の圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、
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の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、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、を備え、
前記共振領域内の外周領域の遮断周波数と前記共振領域の中央領域の遮断周波数とは、ほぼ同じであり、
前記共振領域内の外周領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差は、前記共振領域の中央領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差よりも小さいことを特徴とする圧電薄膜共振器。
前記基板上に設けられ、ポアソン比が０．３３以下の圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、
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の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、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、を備え、
前記共振領域内の外周領域の遮断周波数と前記共振領域の中央領域の遮断周波数とは、ほぼ同じであり、
前記共振領域内の外周領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差は、前記共振領域の中央領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差よりも小さいことを特徴とする圧電薄膜共振器。
【請求項6】
基板と、
前記基板上に設けられ、窒化アルミニウム膜又は他の元素を含む窒化アルミニウム膜である圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、
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に位置し前記共振領域の外周を含み、前記外周に沿った領域である外周領域の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、前記共振領域内の領域であって、前記外周領域よりも内側部分であり、前記共振領域の中央を含む領域である中央領域には設けられてなく、前記圧電膜よりも音響インピーダンス及びポアソン比が小さい挿入膜と、を備え、
前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の少なくとも１つは、対応する前記共振領域の中央領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の前記少なくとも１つに比べて薄く、
前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、前記挿入膜、及び前記上部電極を含む積層膜の厚さは、前記中央領域における前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極を含む積層膜の厚さよりも薄いことを特徴とする圧電薄膜共振器。
前記基板上に設けられ、窒化アルミニウム膜又は他の元素を含む窒化アルミニウム膜である圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、
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に位置し前記共振領域の外周を含み、前記外周に沿った領域である外周領域の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、前記共振領域内の領域であって、前記外周領域よりも内側部分であり、前記共振領域の中央を含む領域である中央領域には設けられてなく、前記圧電膜よりも音響インピーダンス及びポアソン比が小さい挿入膜と、を備え、
前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の少なくとも１つは、対応する前記共振領域の中央領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の前記少なくとも１つに比べて薄く、
前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、前記挿入膜、及び前記上部電極を含む積層膜の厚さは、前記中央領域における前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極を含む積層膜の厚さよりも薄いことを特徴とする圧電薄膜共振器。
【請求項7】
前記共振領域内に前記挿入膜が設けられる領域において、前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の少なくとも１つは、対応する前記共振領域の中央領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の前記少なくとも１つに比べて薄いことを特徴とする請求項６記載の圧電薄膜共振器。
【請求項8】
前記挿入膜は、前記圧電膜よりも音響インピーダンスが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9】
前記挿入膜は、前記圧電膜よりもポアソン比が小さいことを特徴とする請求項８記載の圧電薄膜共振器。
【請求項10】
前記挿入膜は、酸化シリコン膜又は他の元素を含む酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項11】
前記圧電膜は、窒化アルミニウム膜又は他の元素を含む窒化アルミニウム膜であ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12】
前記共振領域において、前記基板と前記下部電極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１１のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項13】
前記共振領域において、前記下部電極下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備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項14】
請求項１から１３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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電薄膜共振器及びフィルタに関する。
【背景技術】
【0002】
弾性波デバイスの１つである圧電薄膜共振器は、携帯電話をはじめとする無線機器のフィルタ及び分波器に用いられている。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した構造を有する。
【0003】
圧電薄膜共振器は、圧電膜の膜厚方向（縦方向）に振動する厚み縦振動モードに加え、横モードと呼ばれる平面方向（横方向）に伝搬する波を付随的に発生させる。横方向に伝搬する波は、共振領域の端部で反射されるため、共振特性においてスプリアスが発生する要因となる。スプリアスが発生した圧電薄膜共振器をフィルタに用いると、リップルと呼ばれる大きな損失が通過帯域内に発生してしまう。このため、スプリアスを抑制する様々な方法が提案されている（例えば特許文献１から４参照）。また、圧電膜を伝搬する波には多くのモードが存在することが知られている（例えば非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特表２００３−５０５９０６号公報
【特許文献2】特開２００７−６５０１号公報
【特許文献3】国際公開第２００６／１２９５３２号
【特許文献4】特開２００５−１５９４０２号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Ken L. Telschow, 外１名, “Determination of Lateral Mode Dispersion from Full-field Imaging of Film Bulk Acoustic Resonator Motion”, IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM, 2003, p.280-283
【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、スプリアスを抑制する従来の方法では、Ｑ値又は電気機械結合係数が劣化してしまう。
【0007】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、Ｑ値及び電気機械結合係数の劣化を抑制しつつ、スプリアスを抑制することが可能な圧電薄膜共振器及びフィルタを提供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、ポアソン比が０．３３以下の圧電膜と、前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、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の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、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、を備え、前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の少なくとも１つは、対応する前記共振領域の中央領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の前記少なくとも１つに比べて薄く、前記共振領域内の外周領域の遮断周波数と前記共振領域の中央領域の遮断周波数とは、ほぼ同じであることを特徴とする圧電薄膜共振器である。
【0010】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられ、ポアソン比が０．３３以下の圧電膜と、前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、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の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、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、を備え、前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の少なくとも１つは、対応する前記共振領域の中央領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の前記少なくとも１つに比べて薄く、前記共振領域内の外周領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差は、前記共振領域の中央領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差よりも小さいことを特徴とする圧電薄膜共振器である。
【0011】
上記構成において、前記共振領域内の外周領域における前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極を含む積層膜は、前記共振領域の中央領域における前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極を含む積層膜に比べて薄い構成とすることができる。
【0012】
上記構成において、前記共振領域内の外周領域の前記下部電極及び前記上部電極の少なくとも一方は、前記共振領域の中央領域の前記下部電極及び前記上部電極の前記少なくとも一方に比べて、金属層の層数が少ない構成とすることができる。
【0013】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられ、ポアソン比が０．３３以下の圧電膜と、前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、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の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、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、を備え、前記共振領域内の外周領域の遮断周波数と前記共振領域の中央領域の遮断周波数とは、ほぼ同じであり、前記共振領域内の外周領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差は、前記共振領域の中央領域における遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差よりも小さいことを特徴とする圧電薄膜共振器である。本発明によれば、Ｑ値及び電気機械結合係数の劣化を抑制しつつ、スプリアスを抑制することができる。
【0014】
上記構成において、前記挿入膜は、前記圧電膜よりも音響インピーダンスが小さい構成とすることができる。
【0015】
上記構成において、前記挿入膜は、前記圧電膜よりもポアソン比が小さい構成とすることができる。
【0016】
上記構成において、前記挿入膜は、酸化シリコン膜又は他の元素を含む酸化シリコン膜である構成とすることができる。
【0017】
上記構成において、前記圧電膜は、窒化アルミニウム膜又は他の元素を含む窒化アルミニウム膜である構成とすることができる。
【0018】
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。
【0019】
上記構成において、前記共振領域において、前記下部電極下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備える構成とすることができる。
【0020】
本発明は、上記のいずれかに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である。
【0021】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられ、窒化アルミニウム膜又は他の元素を含む窒化アルミニウム膜である圧電膜と、前記圧電膜を挟んで対向した下部電極及び上部電極と、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に位置し前記共振領域の外周を含み、前記外周に沿った領域である外周領域の前記圧電膜内若しくは前記圧電膜の下面又は上面に設けられ、前記共振領域内の領域であって、前記外周領域よりも内側部分であり、前記共振領域の中央を含む領域である中央領域には設けられてなく、前記圧電膜よりも音響インピーダンス及びポアソン比が小さい挿入膜と、を備え、前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の少なくとも１つは、対応する前記共振領域の中央領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の前記少なくとも１つに比べて薄く、前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、前記挿入膜、及び前記上部電極を含む積層膜の厚さは、前記中央領域における前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極を含む積層膜の厚さよりも薄いことを特徴とする圧電薄膜共振器である。上記構成において、前記共振領域内に前記挿入膜が設けられる領域において、前記共振領域内の外周領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の少なくとも１つは、対応する前記共振領域の中央領域の前記下部電極、前記圧電膜、及び前記上部電極の前記少なくとも１つに比べて薄い構成とすることができる。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、Ｑ値及び電気機械結合係数の劣化を抑制しつつ、スプリアスを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例1】
【0025】
まず、図１を用いて、圧電膜の分散関係ｋ（ω）について説明する。図１の縦軸は角周波数ωであり、縦軸より右側にある横軸は波数ｋの実数を示し、左側にある横軸は波数ｋの虚数を示す。波数ｋが虚数の場合には、圧電膜を伝搬する弾性波は指数関数的に減衰する。また、波数ｋが０（ゼロ）は遮断周波数を表していて、これは圧電薄膜共振器の共振に主に寄与する厚み縦振動モードの共振周波数である。図１のように、ポアソン比が０．３３より大きいタイプＩの材料を圧電膜に用いた場合、厚み縦振動モードに加えて付随的に発生する横モードは遮断周波数よりも高い周波数に存在することが分かる。タイプＩの材料として、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）がある。一方、ポアソン比が０．３３以下のタイプＩＩの材料を圧電膜に用いた場合、横モードは遮断周波数よりも低い周波数に存在することが分かる。タイプＩＩの材料として、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）がある。
【0026】
図１では、圧電薄膜共振器の共振に主に寄与する厚み縦振動モードＳ１の分散曲線の波数ｋの小さい部分のみを図示している。図２は、圧電膜にＡｌＮを用いた場合の分散特性を波数ｋの実数の大きい範囲まで示した図である。図２のように、モードＳ１の分散曲線は、波数ｋ１までは単調に周波数が減少し、波数ｋ１を超えると周波数は単調に増加するようになる。また、モードＳ１の他にも、モードＳ０、モードＡ１、及びモードＡ０などの多くのモードが存在することが分かる。モードＡ０は、非対称モードの基底モードである。モードＳ０は、対称モードの基底モードである。モードＡ１は、非対称モードの１次モードである。モードＳ１は、上述したように、圧電薄膜共振器の共振に主に寄与する主モードである。
【0027】
図３（ａ）は、比較例１に係る圧電薄膜共振器１０００の断面図、図３（ｂ）は、共振領域６８の中央領域６８ａと外周領域６８ｂとでの厚み縦振動モードの分散曲線を示す図である。図３（ａ）のように、比較例１の圧電薄膜共振器１０００は、基板６０上に下部電極６２が形成されている。基板６０及び下部電極６２上に、ＡｌＮからなる圧電膜６４が形成されている。圧電膜６４を挟み下部電極６２と対向する領域（共振領域６８）を有するように、圧電膜６４上に上部電極６６が形成されている。共振領域６８は、厚み縦振動モードが共振する領域である。基板６０の共振領域６８を含む領域に、空隙７０が形成されている。
【0028】
共振領域６８内の外周領域６８ｂの上部電極６６は、共振領域６８の中央領域６８ａの上部電極６６に比べ薄くなっている。このため、外周領域６８ｂの遮断周波数は、中央領域６８ａの遮断周波数よりも高くなっている。
【0029】
図３（ｂ）のように、外周領域６８ｂの遮断周波数が中央領域６８ａの遮断周波数よりも高いため、外周領域６８ｂでのモードＳ１の分散曲線は中央領域６８ａでのモードＳ１の分散曲線よりも高周波数側に移動する。これにより、中央領域６８ａの共振周波数よりも低い周波数ｆ０における波数は、外周領域６８ｂでは中央領域６８ａに比べて実数値が大きくなる。このため、中央領域６８ａの共振周波数より低い周波数を有して横方向に伝搬する弾性波は、中央領域６８ａから外部に漏れ易くなる。これにより、共振特性において横モードに起因したスプリアスの発生を抑制できる。しかしながら、中央領域６８ａから外部に弾性波が漏れることから、共振周波数から反共振周波数の広い範囲にわたってＱ値が低下してしまう。
【0030】
図４（ａ）は、比較例２に係る圧電薄膜共振器１１００の断面図、図４（ｂ）は、共振領域６８の中央領域６８ａと第１外周領域６８ｃと第２外周領域６８ｄとでの厚み縦振動モードの分散曲線を示す図である。図４（ａ）のように、比較例２の圧電薄膜共振器１１００では、共振領域６８内の外周領域６８ｂは、中央領域６８ａよりも上部電極６６が薄い第１外周領域６８ｃと、中央領域６８ａよりも上部電極６６が厚い第２外周領域６８ｄとで構成されている。このため、第１外周領域６８ｃの遮断周波数は、中央領域６８ａの遮断周波数よりも高くなっている。第２外周領域６８ｄの遮断周波数は、中央領域６８ａの遮断周波数よりも低くなっている。
【0031】
図４（ｂ）のように、第１外周領域６８ｃの遮断周波数が中央領域６８ａの遮断周波数よりも高いため、第１外周領域６８ｃでのモードＳ１の分散曲線は中央領域６８ａでのモードＳ１の分散曲線よりも高周波数側に移動する。第２外周領域６８ｄの遮断周波数が中央領域６８ａの遮断周波数よりも低いため、第２外周領域６８ｄでのモードＳ１の分散曲線は中央領域６８ａでのモードＳ１の分散曲線よりも低周波数側に移動する。これにより、中央領域６８ａの共振周波数よりも低い周波数ｆ０における波数は、第１外周領域６８ｃでは中央領域６８ａに比べて実数値が大きくなり、第２外周領域６８ｄでは虚数値となる。このため、中央領域６８ａの共振周波数より低い周波数を有して横方向に伝搬する弾性波は、中央領域６８ａから第１外周領域６８ｃに漏れ易くなると共に、第２外周領域６８ｄで漏れが抑制される。横方向に伝搬する弾性波が第１外周領域６８ｃに漏れ易くなることで、共振特性において横モードに起因したスプリアスの発生を抑制でき、且つ、第２外周領域６８ｄで横方向に伝搬する弾性波が反射されることで、共振周波数から反共振周波数の間でのＱ値の劣化を抑制できる。しかしながら、遮断周波数が高い第１外周領域６８ｃと遮断周波数が低い第２外周領域６８ｄとを設けているため、中央領域６８ａの面積が小さくなり、電気機械結合係数ｋ２が低下してしまう。
【0032】
図５（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器１００の断面図、図５（ｂ）は、共振領域２０の中央領域２０ａと外周領域２０ｂとでの厚み縦振動モードの分散曲線を示す図である。図５（ａ）のように、実施例１の圧電薄膜共振器１００は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板からなる基板１０上に、下部電極１２が形成されている。下部電極１２は、例えばクロム（Ｃｒ）膜やルテニウム（Ｒｕ）膜など金属膜である。基板１０及び下部電極１２上に、ポアソン比が０．３３以下の圧電膜１４が形成されている。圧電膜１４は、例えばＡｌＮからなる。圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域２０）を有するように、圧電膜１４上に上部電極１６が形成されている。上部電極１６は、例えばＣｒ膜やＲｕ膜などの金属膜である。共振領域２０は、厚み縦振動モードが共振する領域である。基板１０の共振領域２０を含む領域に、空隙２２が形成されている。
【0033】
圧電膜１４内には、共振領域２０内の外周領域２０ｂに挿入膜１８が形成されている。挿入膜１８は、共振領域２０の中央領域２０ａには形成されていない。挿入膜１８は、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。なお、共振領域２０内の外周領域２０ｂとは、共振領域２０内の領域であって、共振領域２０の外周を含み、外周に沿った領域である。共振領域２０の中央領域２０ａとは、共振領域２０内の領域であって、外周領域２０ｂよりも内側部分であり、共振領域２０の中央を含む領域である。
【0034】
外周領域２０ｂの上部電極１６は、中央領域２０ａの上部電極１６に比べて薄くなっている。これにより、共振領域２０における下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜１８、及び上部電極１６を含む積層膜の厚さは、外部領域２０ｂで中央領域２０ａよりも薄くなっている。外周領域２０ｂに挿入膜１８が形成され且つ外周領域２０ｂの上部電極１６が薄くなっていることで、中央領域２０ａと外周領域２０ｂとで遮断周波数が同一又はほぼ同一となっている。
【0035】
図５（ｂ）のように、モードＳ１の分散曲線は、中央領域２０ａと外周領域２０ｂとで形状が異なっている。外周領域２０ｂでのモードＳ１の分散曲線は、中央領域２０ａでのモードＳ１の分散曲線に比べて、極小周波数付近の曲率が大きくなっている。これは、外周領域２０ｂの圧電膜１４内に挿入膜１８が形成されているため、下部電極１２と上部電極１６とで挟まれた材料のポアソン比が、中央領域２０ａと外周領域２０ｂとで異なるためである。
【0036】
中央領域２０ａでのモードＳ１の分散曲線と外周領域２０ｂでのモードＳ１の分散曲線の形状を制御することで、中央領域２０ａの共振周波数より低い周波数ｆ０における波数の実数値を、外周領域２０ｂで中央領域２０ａよりも大きくすることができる。言い換えると、モードＳ１の分散曲線の傾きがゼロとなる周波数を制御することで、中央領域２０ａの共振周波数より低い周波数ｆ０における波数の実数値を、外周領域２０ｂで中央領域２０ａよりも大きくすることができる。このため、中央領域２０ａの共振周波数より低い周波数を有して横方向に伝搬する弾性波は、中央領域２０ａから外部に漏れ易くなり、共振特性において横モードに起因したスプリアスの発生を抑制できる。また、挿入膜１８を設けることで、共振周波数から反共振周波数の間でのモードＳ０の弾性波の発生を弱めることができる。モードＳ０の弾性波の発生自体が弱まることから、弾性波の漏れも弱められ、その結果、共振周波数から反共振周波数の間でのＱ値の劣化を抑制することができる。また、中央領域２０ａの遮断周波数と外周領域２０ｂの遮断周波数を同一又は同等に近づけることができるため、電気機械結合係数ｋ２の劣化を抑制することができる。
【0037】
以上のように、実施例１によれば、図５（ａ）のように、共振領域２０内の外周領域２０ｂに挿入膜１８が設けられ、且つ、外周領域２０ｂの上部電極１６が中央領域２０ａに比べて薄くなっている。これによって、図５（ａ）及び図５（ｂ）のように、外周領域２０ｂと中央領域２０ａの遮断周波数がほぼ同じで、外周領域２０ｂにおける遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差が、中央領域２０ａにおける遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差よりも小さくなっている。これにより、上述したように、Ｑ値及び電気機械結合係数ｋ２の劣化を抑制しつつ、スプリアスを抑制することができる。なお、遮断周波数がほぼ同じとは、完全に同じ場合の他に、電気機械結合係数ｋ２の劣化を抑制できる程度に同じ場合を含む。
【実施例2】
【0038】
図６（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器２００の上面図、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図６（ｂ）は、ラダー型フィルタの直列共振子Ｓの断面図、図６（ｃ）は、ラダー型フィルタの並列共振子Ｐの断面図である。
【0039】
図６（ａ）及び図６（ｂ）のように、直列共振子Ｓは、基板１０上に、下部電極１２が形成されている。基板１０の平坦主面と下部電極１２との間に、下部電極１２側にドーム状の膨らみを有する空隙２２が形成されている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙２２の周辺では空隙２２の高さが低く、空隙２２の内部ほど空隙２２の高さが高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とを含む。下層１２ａは、例えばＣｒ膜であり、上層１２ｂは、例えばＲｕ膜である。
【0040】
基板１０及び下部電極１２上に、（００２）方向を主軸とするＡｌＮを主成分とする圧電膜１４が形成されている。圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域２０）を有するように、圧電膜１４上に上部電極１６が形成されている。上部電極１６は、下層１６ａと上層１６ｂとを含む。下層１６ａは、例えばＲｕ膜であり、上層１６ｂは、例えばＣｒ膜である。共振領域２０は、例えば楕円形形状を有し、厚み縦振動モードが共振する領域である。
【0041】
圧電膜１４内には、共振領域２０内の外周領域２０ｂに挿入膜１８が形成されている。挿入膜１８は、共振領域２０の中央領域２０ａには形成されていない。挿入膜１８は、例えばＳｉＯ２膜である。挿入膜１８は、共振領域２０内の外周領域２０ｂの全周にわたって形成されていて、外周領域２０ｂから共振領域２０の外側にまで延在して形成されている。挿入膜１８は、圧電膜１４の膜厚方向の中央部分に形成されていてもよいし、中央部分以外に形成されていてもよい。なお、実施例１に記載したように、外周領域２０ｂとは、共振領域２０内の領域であって、共振領域２０の外周を含み外周に沿った領域である。外周領域２０ｂは、例えばリング状をしている。共振領域２０の中央領域２０ａとは、共振領域２０内の領域であって、外周領域２０ｂよりも内側部分であり、共振領域２０の中央を含む領域である。
【0042】
外周領域２０ｂの上部電極１６は、外周領域２０ｂの全周にわたって、中央領域２０ａの上部電極１６に比べて薄くなっている。例えば、上部電極１６の下層１６ａの厚さが、中央領域２０ａよりも外周領域２０ｂで薄くなっていて、上部電極１６の上層１６ｂの厚さは、中央領域２０ａと外周領域２０ｂとで同じになっている。上部電極１６上に、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。なお、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。上部電極１６が中央領域２０ａよりも外周領域２０ｂで薄いことで、共振領域２０における下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜１８、上部電極１６、及び周波数調整膜２４を含む積層膜の厚さは、外部領域２０ｂで中央領域２０ａよりも薄くなっている。
【0043】
下部電極１２及び圧電膜１４には、犠牲層をエッチングするための導入路２８が形成されている。犠牲層は、空隙２２を形成するための層である。導入路２８の先端付近は、下部電極１２及び圧電膜１４で覆われておらず、孔部３０が形成されている。
【0044】
図６（ａ）及び図６（ｃ）のように、並列共振子Ｐは、直列共振子Ｓと比較し、上部電極１６の下層１６ａと上層１６ｂとの間であって、共振領域２０に、質量負荷膜２６が形成されている。質量負荷膜２６は、例えばチタン（Ｔｉ）膜である。その他の構成は、直列共振子Ｓと同じであるため説明を省略する。
【0045】
直列共振子Ｓと並列共振子Ｐとの間の共振周波数の差は、質量負荷膜２６の膜厚によって調整できる。直列共振子Ｓと並列共振子Ｐの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜２４の膜厚によって行うことができる。
【0046】
例えば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Ｃｒ膜からなる下層１２ａの厚さは１００ｎｍ、Ｒｕ膜からなる上層１２ｂの厚さは２５０ｎｍである。ＡｌＮ膜からなる圧電膜１４の厚さは１１００ｎｍであり、圧電膜１４内の挿入膜１８の厚さは１５０ｎｍである。上部電極１６のＲｕ膜からなる下層１６ａの厚さは、共振領域２０の中央領域２０ａで２３０ｎｍ、外周領域２０ｂで５０ｎｍである。上部電極１６のＣｒ膜からなる上層１６ｂの厚さは５０ｎｍである。酸化シリコン膜からなる周波数調整膜２４の厚さは５０ｎｍである。Ｔｉ膜からなる質量負荷膜２６の厚さは１２０ｎｍである。なお、各層の厚さは、所望の共振特性を得るために適宜設計することができる。
【0047】
基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、例えば石英基板、ガラス基板、セラミック基板、又はガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板などを用いることができる。下部電極１２及び上部電極１６としては、Ｃｒ及びＲｕ以外にも、例えばアルミニウム（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）、又はイリジウム（Ｉｒ）などの金属単層膜又はこれらの積層膜を用いることができる。圧電膜１４は、ポアソン比が０．３３以下の材料であれば、ＡｌＮ以外の材料を用いることができる。また、圧電膜１４は、ＡｌＮを主成分とし、共振特性の向上又は圧電性の向上のために、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）を用いることにより、圧電膜１４の圧電性を向上できる。
【0048】
周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも、窒化シリコン膜又は窒化アルミニウム膜などを用いることができる。質量負荷膜２６としては、Ｔｉ以外にも、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ、又はＩｒなどの金属単層膜又はこれらの積層膜を用いることができる。また、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンなどの窒化金属又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２６は、上部電極１６の層間以外にも、例えば下部電極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の間、又は圧電膜１４と上部電極１６の間に形成することができる。質量負荷膜２６は、共振領域２０を含むように形成されていれば、共振領域２０より大きくてもよい。
【0049】
次に、実施例２の圧電薄膜共振器２００の製造方法を、直列共振子Ｓの場合を例に説明する。図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器２００の製造方法を示す断面図である。図７（ａ）のように、基板１０の平坦主面上に空隙２２を形成するために犠牲層３２を成膜する。犠牲層３２は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜される。犠牲層３２は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、又は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）などのエッチング液又はエッチングガスに容易に溶解する材料を用いることができる。犠牲層３２の厚さは、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。その後、犠牲層３２を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、所望の形状にパターニングする。犠牲層３２の形状は、空隙２２の平面形状に相当する形状であり、例えば共振領域２０となる領域を含む。
【0050】
次に、犠牲層３２及び基板１０上に、下部電極１２として下層１２ａ及び上層１２ｂを成膜する。下部電極１２は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ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及びエッチング技術を用いて、所望の形状にパターニングする。なお、下部電極１２をリフトオフ法によって形成してもよい。
【0051】
図７（ｂ）のように、下部電極１２及び基板１０上に、第１圧電膜１４ａと挿入膜１８を成膜する。第１圧電膜１４ａと挿入膜１８は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用い成膜される。その後、挿入膜１８を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、所望の形状にパターニングする。なお、挿入膜１８をリフトオフ法によって形成してもよい。
【0052】
図７（ｃ）のように、第１圧電膜１４ａ及び挿入膜１８上に、第２圧電膜１４ｂを成膜する。第２圧電膜１４ｂは、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用い成膜される。第１圧電膜１４ａ及び第２圧電膜１４ｂから圧電膜１４が形成される。圧電膜１４上に、上部電極１６として下層１６ａ及び上層１６ｂを成膜する。上部電極１６は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用い成膜される。ここで、上部電極１６の下層１６ａは、共振領域２０の中央領域２０ａと外周領域２０ｂとで膜厚を異ならせるように形成する。形成方法は、相対的に膜厚が薄い外周領域２０ｂにおける厚さで下層１６ａを全面に成膜した後、中央領域２０ａに下層１６ａを追加で成膜してもよい。若しくは、相対的に膜厚が厚い中央領域２０ａにおける厚さで下層１６ａを全面に成膜した後、外周領域２０ｂに成膜された下層１６ａに対してエッチングを行うことで形成してもよい。その後、上部電極１６を、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、所望の形状にパターニングする。上部電極１６上に、例えばスパッタリング法又はＣＶＤ法を用いて周波数調整膜２４を成膜する。
【0053】
なお、図６（ｃ）の並列共振子Ｐにおいては、上部電極１６の下層１６ａを形成した後、質量負荷膜２６を、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、又はＣＶＤ法を用い成膜する。質量負荷膜２６をフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、所望の形状にパターニングする。その後に、上部電極１６の上層１６ｂを形成する。
【0054】
周波数調整膜２４を形成した後、孔部３０及び導入路２８（図６（ａ）参照）を介し、犠牲層３２のエッチング液を、下部電極１２下の犠牲層３２に導入する。これにより、犠牲層３２が除去される。犠牲層３２をエッチングする媒体としては、犠牲層３２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。例えば、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及び圧電膜１４がエッチングされない媒体であることが好ましい。下部電極１２、圧電膜１４、及び上部電極１６を含む積層膜の応力を圧縮応力となるように設定しておくことにより、犠牲層３２が除去されると、積層膜が基板１０の反対側に基板１０から離れるように膨れる。これにより、基板１０と下部電極１２の間にドーム状の膨らみを有する空隙２２が形成される。以上の工程を含んで、実施例２の圧電薄膜共振器２００が形成される。
【0055】
次に、実施例２の圧電薄膜共振器２００に対して発明者が行ったシミュレーションについて説明する。発明者は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す実施例２の圧電薄膜共振器２００に対し、外周領域２０ｂの上部電極１６の膜厚が共振周波数よりも低周波数側に発生するスプリアスに及ぼす影響について有限要素法を用いて調査した。シミュレーションは、第１、第２試験体（実施例２）及び第３試験体（比較例３）に対して行った。
【0056】
第１試験体は、下部電極１２の下層１２ａを厚さ１００ｎｍのＣｒ膜、上層１２ｂを厚さ２００ｎｍのＲｕ膜とし、圧電膜１４を厚さ１２６０ｎｍのＡｌＮ膜とした。上部電極１６はＲｕ膜からなる下層１６ａのみで構成され、中央領域２０ａにおける厚さを２３０ｎｍとし、外周領域２０ｂにおける厚さを５０ｎｍとした。挿入膜１８は、厚さ１２５ｎｍのＳｉＯ２膜とし、共振領域２０に挿入されている長さ（すなわち、外周領域２０ｂの幅）を２．５μｍとした。
【0057】
第２試験体は、外周領域２０ｂにおける上部電極１６の厚さを６０ｎｍとし、その他は、第１試験体と同じにした。第３試験体は、外周領域２０ｂにおける上部電極１６の厚さを、中央領域２０ａにおける厚さと同じ２３０ｎｍとし、その他は、第１試験体と同じにした。
【0058】
表１に、第１〜第３試験体の共振領域２０の中央領域２０ａと外周領域２０ｂとの遮断周波数のシミュレーション結果を示す。表１のように、第１試験体では、中央領域２０ａと外周領域２０ｂの遮断周波数が同じ値となり、第２試験体では、中央領域２０ａと外周領域２０ｂの遮断周波数が近い値になった。第３試験体では、中央領域２０ａと外周領域２０ｂの遮断周波数は離れた値となった。【表1】
【0059】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、スプリアスを調査したシミュレーションの結果を示す図である。図８（ａ）は、共振周波数付近の反射特性（Ｓ１１）であり、図８（ｂ）は、スミスチャートである。第１試験体のシミュレーション結果を実線で示し、第２試験体のシミュレーション結果を一点鎖線で示し、第３試験体のシミュレーション結果を点線で示している。表１及び図８（ａ）、図８（ｂ）のように、上部電極１６の厚さを中央領域２０ａよりも外周領域２０ｂで薄くして中央領域２０ａと外周領域２０ｂの遮断周波数を近づけることにより、共振周波数よりも低周波数側に発生するスプリアスを低減できることが確認できた。
【0060】
次に、発明者は、第１試験体に対して、中央領域２０ａと外周領域２０ｂとでの厚み縦振動モードの分散曲線について有限要素法を用いて調査した。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、分散曲線を調査したシミュレーションの結果を示す図である。図９（ａ）は、中央領域２０ａでの厚み縦振動モードの分散曲線を示し、図９（ｂ）は、外周領域２０ｂでの厚み縦振動モードの分散曲線を示している。図９（ａ）及び図９（ｂ）のように、波数が０（ゼロ）である遮断周波数は共に２０１０ＭＨｚであり、モードＳ１の分散曲線の極小周波数（傾きがゼロとなる周波数）はそれぞれ約１９０５ＭＨｚ、約１９３５ＭＨｚであった。このことから、外周領域２０ｂにおける遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差を、中央領域２０ａにおける遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差よりも小さくすることで、共振周波数よりも低周波数側に発生するスプリアスを低減できることが確認できた。
【0061】
したがって、外周領域２０ｂに挿入膜１８を形成し且つ外周領域２０ｂの上部電極１６の膜厚を中央領域２０ａよりも薄くして、外周領域２０ｂと中央領域２０ａの遮断周波数をほぼ同じにし、外周領域２０ｂにおける遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差を、中央領域２０ａにおける遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差よりも小さくする。これにより、スプリアスを抑制できることがシミュレーションからも確認できた。
【0062】
次に、発明者は、第１試験体に対して、反共振周波数のＱ値及び電気機械結合係数ｋ２について有限要素法を用いて調査した。また、比較のために、図４（ａ）に示した比較例２の圧電薄膜共振器１１００である第４試験体に対してもシミュレーションを行った、第４試験体は、上部電極６６の厚さは、中央領域６８ａで２３０ｎｍ、第１外周領域６８ｃで２２０ｎｍ、第２外周領域６８ｄで３３０ｎｍとした。また、第１外周領域６８ｃの長さを４．０μｍ、第２外周領域６８ｄの長さを２．５μｍとした。その他は、第１試験体と同じにした。表２に、反共振周波数のＱ値及び電気機械結合係数ｋ２のシミュレーション結果を示す。表２のように、第１試験体は、第４試験体に比べて、反共振周波数のＱ値及び電気機械結合係数ｋ２が改善された結果となった。【表2】
【0063】
したがって、外周領域２０ｂに挿入膜１８を形成し且つ外周領域２０ｂの上部電極１６の膜厚を中央領域２０ａよりも薄くして、外周領域２０ｂと中央領域２０ａの遮断周波数をほぼ同じにし、外周領域２０ｂにおける遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差を、中央領域２０ａにおける遮断周波数と厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数との差よりも小さくする。これにより反共振周波数のＱ値及び電気機械結合係数ｋ２を改善できることがシミュレーションからも確認できた。
【0064】
次に、発明者は、挿入膜１８に様々な材料を用いた圧電薄膜共振器の外周領域２０ｂでの厚み縦振動モードの分散曲線について有限要素法を用いて調査した。シミュレーションに用いた圧電薄膜共振器は、挿入膜１８以外は第１試験体と同じにした。挿入膜１８は、厚さ１２５ｎｍ、長さ１．９μｍとした。表３は、シミュレーションに用いた挿入膜１８の種類とそれぞれの材料定数とを示している。なお、表３では、音響インピーダンスは、密度とヤング率の積に対してＡｌＮの音響インピーダンスで規格化した値を示している。表３のように、挿入膜１８に、ＳｉＯ２、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｗ、又はＭｏを用いてシミュレーションを行った。【表3】
【0065】
図１０は、挿入膜１８に様々な材料を用いた圧電薄膜共振器の共振領域２０内の外周領域２０ｂでの厚み縦振動モードの分散曲線を調査したシミュレーションの結果を示す図である。なお、共振領域２０の中央領域２０ａでの厚み縦振動モードの分散曲線を太破線で示している。図１０のように、挿入膜１８がＳｉＯ２又はＡｌである場合に、外周領域２０ｂでの厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数が、中央領域２０ａでの厚み縦振動モードの分散曲線の極小周波数よりも高周波数側に移動していることが分かる。
【0066】
次に、発明者は、挿入膜１８に様々な材料を用いた圧電薄膜共振器の共振周波数付近の反射特性（Ｓ１１）について有限要素法を用いて調査した。また、比較のために、挿入膜１８が設けられていない圧電薄膜共振器の共振周波数付近の反射特性（Ｓ１１）についても調査した。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、シミュレーションに用いた圧電薄膜共振器を示す断面図である。図１１（ａ）のように、Ｓｉからなる基板１０上の下部電極１２の下層１２ａを厚さ１００ｎｍのＣｒ膜とし、上層１２ｂを厚さ２００ｎｍのＲｕ膜とした。圧電膜１４を厚さ１２６０ｎｍのＡｌＮ膜とした。上部電極１６はＲｕ膜のみで構成され、中央領域２０ａにおける厚さは２３０ｎｍとし、外周領域２０ｂにおける厚さは、外周領域２０ｂの遮断周波数が中央領域２０ａの遮断周波数と一致するようにした。挿入膜１８は、厚さ１２５ｎｍ、長さ１．９μｍとした。図１１（ｂ）のように、挿入膜１８が設けられていない圧電薄膜共振器は、上部電極１６はＲｕ膜のみで構成され、厚さを２３０ｎｍと一定にした。その他は、図１１（ａ）と同じである。
【0067】
図１２（ａ）は、挿入膜１８が設けられていない圧電薄膜共振器の共振周波数付近の反射特性（Ｓ１１）のシミュレーションの結果を示す図である。図１２（ｂ）から図１３（ｃ）は、挿入膜１８に様々な材料を用いた圧電薄膜共振器の共振周波数付近の反射特性（Ｓ１１）のシミュレーションの結果を示す図である。図１２（ａ）から図１３（ｃ）のように、挿入膜１８がＳｉＯ２膜、Ｔｉ膜、又はＡｌ膜である場合に、共振周波数以下のスプリアスを抑制できることが分かった。特に、挿入膜１８がＳｉＯ２膜である場合に、共振周波数以下のスプリアスを大きく抑制できることが分かった。
【0068】
したがって、挿入膜１８は、スプリアスを抑制する点から、Ｔｉ、Ａｌのような、ＡｌＮよりも音響インピーダンスの小さい膜であることが好ましく、ＳｉＯ２のような、ＡｌＮよりも音響インピーダンスが小さく且つポアソン比が小さい膜であることがより好ましい。また、挿入膜１８は、他の元素を含む酸化シリコン膜であってもよい。他の元素として、例えばフッ素又はボロンなどが挙げられる。このような元素を含む酸化シリコン膜の場合でも、ＡｌＮよりも音響インピーダンスが小さく且つポアソン比が小さくなる。
【0069】
実施例２によれば、図６（ａ）から図６（ｃ）のように、挿入膜１８は、外周領域２０ｂの全周にわたって形成され、且つ、外周領域２０ｂの全周における上部電極１６は、中央領域２０ａの上部電極１６に比べて薄くなっている。これにより、スプリアスを効果的に抑制することができる。
【0070】
図１４（ａ）は、実施例２の変形例１に係る圧電薄膜共振器２１０の上面図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。なお、図１４（ｂ）はラダー型フィルタの直列共振子Ｓの断面図であり、並列共振子Ｐについては、図６（ｃ）と同様、図１４（ａ）の上部電極１６の層間に質量負荷膜２６が設けられた構造であるため図示を省略する（実施例２の変形例２から実施例５においても同じ）。
【0071】
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）のように、実施例２の変形例１の圧電薄膜共振器２１０では、上部電極１６は、共振領域２０内の外周領域２０ｂだけでなく、外周領域２０ｂから共振領域２０の外側にかけて薄くなっている。その他の構成は、実施例２の圧電薄膜共振器２００と同じであるため説明を省略する。
【0072】
図１５（ａ）は、実施例２の変形例２に係る圧電薄膜共振器２２０の上面図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）のように、実施例２の変形例２の圧電薄膜共振器２２０では、挿入膜１８は、圧電膜１４の上面に形成されている。言い換えると、挿入膜１８は、圧電膜１４と上部電極１６の間に形成されている。その他の構成は、実施例２の圧電薄膜共振器２００と同じであるため説明を省略する。
【0073】
図１６（ａ）は、実施例２の変形例３に係る圧電薄膜共振器２３０の上面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）のように、実施例２の変形例３の圧電薄膜共振器２３０では、挿入膜１８は、圧電膜１４の下面に形成されている。言い換えると、挿入膜１８は、圧電膜１４と下部電極１２の間に形成されている。その他の構成は、実施例２の圧電薄膜共振器２００と同じであるため説明を省略する。
【0074】
実施例２、実施例２の変形例２、及び実施例２の変形例３のように、挿入膜１８は、圧電膜１４内に形成されてもよいし、圧電膜１４の上面又は下面に形成されてもよい。また、挿入膜１８が、圧電膜１４内、圧電膜１４の上面、及び圧電膜１４の下面の複数に形成されてもよい。
【0075】
図１７（ａ）は、実施例２の変形例４に係る圧電薄膜共振器２４０の上面図、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１７（ａ）及び図１７（ｂ）のように、実施例２の変形例４の圧電薄膜共振器２４０では、挿入膜１８は、共振領域２０内の外周領域２０ｂの一部にのみ設けられている。その他の構成は、実施例２の圧電薄膜共振器２００と同じであるため説明を省略する。
【0076】
図１８（ａ）は、実施例２の変形例５に係る圧電薄膜共振器２５０の上面図、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１８（ａ）及び図１８（ｂ）のように、実施例２の変形例５の圧電薄膜共振器２５０では、上部電極１６は、共振領域２０内の外周領域２０ｂの一部でのみ薄くなっている。その他の構成は、実施例２の圧電薄膜共振器２００と同じであるため説明を省略する。
【0077】
なお、実施例２から実施例２の変形例５では、外周領域２０ｂの上部電極１６の下層１６ａが中央領域２０ａよりも薄い場合を例に示したが、外周領域２０ｂの上部電極１６の上層１６ｂが薄い場合でもよいし、下層１６ａと上層１６ｂの両方が薄い場合でもよい。また、上部電極１６は、下層１６ａと上層１６ｂの２層構造の場合に限られず、単層構造の場合や、３層以上の層構造の場合でもよい。下部電極１２も同様に、単層構造や３層以上の層構造の場合でもよい。
【実施例3】
【0078】
図１９（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器３００の上面図、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１９（ａ）及び図１９（ｂ）のように、実施例３の圧電薄膜共振器３００では、共振領域２０内の外周領域２０ｂでは、上部電極１６の下層１６ａが形成されてなく、上層１６ｂだけが形成されている。その他の構成は、実施例２の圧電薄膜共振器２００と同じであるため説明を省略する。
【0079】
実施例３のように、共振領域２０内の外周領域２０ｂの上部電極１６が、中央領域２０ａの上部電極１６に比べて金属層の層数が少ないことで、外周領域２０ｂの上部電極１６が中央領域２０ａの上部電極１６よりも薄くなっていてもよい。
【実施例4】
【0080】
図２０（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器４００の上面図、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図２０（ａ）及び図２０（ｂ）のように、実施例４の圧電薄膜共振器４００では、共振領域２０内の外周領域２０ｂの圧電膜１４が、中央領域２０ａの圧電膜１４よりも薄くなっている。上部電極１６は、中央領域２０ａ及び外周領域２０ｂで同じ厚さになっている。その他の構成は、実施例２の圧電薄膜共振器２００と同じであるため説明を省略する。
【実施例5】
【0081】
図２１（ａ）は、実施例５に係る圧電薄膜共振器５００の上面図、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図２１（ａ）及び図２１（ｂ）のように、実施例５の圧電薄膜共振器５００では、共振領域２０内の外周領域２０ｂの下部電極１２が、中央領域２０ａの下部電極１２よりも薄くなっている。上部電極１６は、中央領域２０ａ及び外周領域２０ｂで同じ厚さになっている。その他の構成は、実施例２の圧電薄膜共振器２００と同じであるため説明を省略する。
【0082】
実施例２から実施例５のように、共振領域２０内の外周領域２０ｂの下部電極１２、圧電膜１４、及び上部電極１６の少なくとも１つが、中央領域２０ａに比べて薄くなっていればよい。外周領域２０ｂの下部電極１２、圧電膜１４、及び上部電極１６のうちの２以上が、中央領域２０ａに比べて薄くなっていてもよい。
【0083】
なお、実施例５においても、実施例２の変形例１と同様に、下部電極１２は、共振領域２０内の外周領域２０ｂだけでなく、外周領域２０ｂから共振領域２０の外側にかけて薄くなっていてもよい。実施例２の変形例５と同様に、下部電極１２は、外周領域２０ｂの一部でのみ薄くなっていてもよい。
【0084】
なお、実施例５においても、実施例３と同様に、共振領域２０内の外周領域２０ｂの下部電極１２が、中央領域２０ａの下部電極１２に比べて金属層の層数が少ないことで、外周領域２０ｂの下部電極１２が中央領域２０ａの下部電極１２よりも薄くなっていてもよい。すなわち、外周領域２０ｂの上部電極１６及び下部電極１２の少なくとも一方が、中央領域２０ａの上部電極１６及び下部電極１２の前記少なくとも一方に比べて、金属層の層数が少なくなっていてもよい。
【0085】
なお、実施例５では、外周領域２０ｂの下部電極１２の下層１２ａが中央領域２０ａよりも薄い場合を例に示したが、外周領域２０ｂの下部電極１２の上層１２ｂが薄い場合でもよいし、下層１２ａと上層１２ｂの両方が薄い場合でもよい。
【0086】
なお、実施例３から実施例５においても、実施例２の変形例２、変形例３と同様に、挿入膜１８は、圧電膜１４の上面又は下面に形成されていてもよい。
【実施例6】
【0087】
図２２は、実施例６に係る圧電薄膜共振器６００の断面図である。図２２のように、実施例６の圧電薄膜共振器６００は、基板１０の主面に窪みが形成されている。下部電極１２は、基板１０の主面上に、ほぼ平坦に形成されている。これにより、基板１０の窪みが空隙２２ａとして機能する。空隙２２ａは、共振領域２０を含むように形成されている。その他の構成は、実施例２の圧電薄膜共振器２００と同じであるため説明を省略する。なお、空隙２２ａは、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。
【0088】
実施例６では、実施例２の空隙２２の代わりに空隙２２ａが形成されている場合を例に示したが、実施例２の変形例１から実施例５においても、空隙２２の代わりに空隙２２ａが形成されている場合でもよい。
【実施例7】
【0089】
図２３は、実施例７に係る圧電薄膜共振器７００の断面図である。図２３のように、実施例７の圧電薄膜共振器７００は、共振領域２０の下部電極１２下に音響反射膜４０が形成されている。音響反射膜４０は、圧電膜１４を伝搬する弾性波を反射する膜であり、音響インピーダンスの低い膜４２と高い膜４４とが交互に形成されている。音響インピーダンスの低い膜４２と高い膜４４の膜厚は、λ／４（λは弾性波の波長）が基本であるが、所望の特性を得るために適宜変更することができる。また、音響インピーダンスの低い膜４２と高い膜４４の積層数は任意に設定できる。その他の構成は、実施例２の圧電薄膜共振器２００と同じであるため説明を省略する。
【0090】
実施例７では、実施例２の空隙２２の代わりに音響反射膜４０が形成されている場合を例に示したが、実施例２の変形例１から実施例５においても、空隙２２の代わりに音響反射膜４０を形成してもよい。
【0091】
このように、圧電薄膜共振器は、実施例１から実施例６のように、共振領域２０における下部電極１２と基板１０との間に空隙２２、２２ａが設けられたＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）の場合でもよい。実施例７のように、共振領域２０における下部電極１２の下に音響反射膜４０が設けられたＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）の場合でもよい。
【0092】
実施例２から実施例７では、共振領域２０が楕円形形状を有している場合を例に説明したが、四角形又は五角形等の多角形形状を有している場合等、その他の形状を有している場合でもよい。
【実施例8】
【0093】
図２４は、実施例８に係るフィルタ８００を示す図である。図２４のように、実施例８のフィルタ８００は、入出力端子Ｔ１、Ｔ２の間に直列に接続された１又は複数の直列共振器Ｓ１〜Ｓ４と、並列に接続された１又は複数の並列共振器Ｐ１〜Ｐ４と、を備えたラダー型フィルタである。直列共振器Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振器Ｐ１〜Ｐ４の少なくとも１つを、実施例１から実施例７の圧電薄膜共振器とすることができる。
【実施例9】
【0094】
図２５は、実施例９に係る分波器９００を示す図である。図２５のように、実施例９の分波器９００は、アンテナ端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘの間に接続された送信フィルタ５０と、アンテナ端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘの間に接続された受信フィルタ５２と、を含む。送信フィルタ５０と受信フィルタ５２は、通過帯域が異なっている。送信フィルタ５０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アンテナ端子Ａｎｔに通過させ、他の帯域の信号を抑圧する。受信フィルタ５２は、アンテナ端子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、他の帯域の信号を抑圧する。送信フィルタ５０及び受信フィルタ５２の少なくとも一方を、実施例８のフィルタとすることができる。
【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１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 挿入膜
２０ 共振領域
２０ａ 中央領域
２０ｂ 外周領域
２２ 空隙
２４ 周波数調整膜
２６ 質量負荷膜
２８ 導入路
３０ 孔部
３２ 犠牲層
４０ 音響反射膜
４２ 音響インピーダンスの低い膜
４４ 音響インピーダンスの高い膜
５０ 送信フィルタ
５２ 受信フィルタ