特許 6819005 バルク弾性波共振器

(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】6819005

(24)【登録日】2021年1月6日

(45)【発行日】2021年1月27日

(54)【発明の名称】バルク弾性波共振器

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/17 20060101AFI20210114BHJP

【ＦＩ】

   H03H9/17 F

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-257290(P2016-257290)

(22)【出願日】2016年12月29日

(65)【公開番号】特開2018-110317(P2018-110317A)

(43)【公開日】2018年7月12日

【審査請求日】2019年11月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000191238

【氏名又は名称】新日本無線株式会社

(72)【発明者】

【氏名】山崎 王義

【審査官】 橋本 和志

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０３６５８４２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−０１０８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３５２６１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｈ９／００−９／７６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電膜と、該圧電膜を挟む上部電極膜および下部電極膜と、前記圧電膜と逆符号の温度係数を持つ温度補償膜とを含む多層膜とが積層したバルク弾性波共振器において、
前記下部電極膜と前記圧電膜と前記上部電極膜の厚さが、前記共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍であり、かつ前記温度補償膜の厚さが、前記共振周波数の波長の１／２の整数倍であることと、
前記温度補償膜が、前記圧電膜と逆符号の温度係数を持つ膜と前記圧電膜と同符号の温度係数を有する膜から構成される多層膜であることを特徴とするバルク弾性波共振器。

【請求項2】

凹部を備えた基板上に、下部電極膜、圧電膜および上部電極膜が積層し、さらに前記圧電膜と逆符号の温度係数を持つ温度補償膜とを含む多層膜とが積層したバルク弾性波共振器において、
前記下部電極膜と前記圧電膜と前記上部電極膜の厚さが、前記共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍であり、かつ前記温度補償膜の厚さが、前記共振周波数の波長の１／２の整数倍であることと、
前記温度補償膜が、前記圧電膜と逆符号の温度係数を持つ膜と前記圧電膜と同符号の温度係数を有する膜から構成される多層膜であることを特徴とするバルク弾性波共振器。

【請求項3】

請求項１又は２いずれか記載のバルク弾性波共振器において、前記温度補償膜は、前記上部電極膜上、前記下部電極膜直下、あるいは前記上部電極膜上および前記下部電極膜直下の両方に積層していることを特徴とするバルク弾性波共振器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、温度補償型のバルク弾性波共振器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、スマートフォンの世界的な普及や、ウェアラブルやＩｏＴ（Internet of Things）と通称されるマイクロ波を用いた無線通信サービスの留まることのない旺盛な需要の拡大に伴い、限られた資源である電波（マイクロ波）を有効に利用するため、空間にあふれるマイクロ波の中から必要な周波数の電波を選択的に抽出することが求められている。例えば、現在、２．５ＧＨｚ帯以下の周波数帯だけでなく３ＧＨｚ以上の高周波帯を利用するサービスにも拡大しており、所定の周波数帯域の電波を選択的に抽出するため高周波フィルタが使用されている。この種の高周波ファイルでは、温度ドリフトがなく、急峻なスカート特性を有する等、高性能化が要求されている。

【0003】

また、世界各地で使用されている周波数帯域に対応できるようにするため、１台のスマートフォンに１０個を超える高周波フィルタが搭載されるようになり、小型でフィルタ特性に優れていることから、高周波フィルタとして、ＳＡＷ（表面弾性波）共振器が多用されている。

【0004】

一方、ＳＡＷ共振器では３ＧＨｚ以上の高周波帯域や広い通過帯域を実現するには限界があり、高性能を要求されるフィルタにはバルク弾性波（ＢＡＷ）共振器が使われるようになってきている。今後、３ＧＨｚ帯以上の高周波帯でも、使用される周波数帯域が込み合ってくるとの予測を踏まえると、バルク弾性波共振器の需要はさらに拡大することが期待される。

【0005】

現在、圧電膜を上部電極膜と下部電極膜で挟み、これら電極直上あるいは直下を空気層として、弾性波が上部電極膜あるいは下部電極膜の表面での弾性波の反射率を高めたバルク弾性波共振器が用いられている。

【0006】

ところで、バルク弾性波共振器では、圧電膜材料や電極膜材料が温度により熱膨張する効果と、弾性波の伝搬速度が温度により変化する効果が相まって、温度変化に伴い共振周波数が変化してしまう。その結果、バルク弾性波共振器で構成した高周波フィルタの通過帯域が、温度により変動してしまう。そのため、このような変動を考慮して使用する周波数帯域に余裕を持って狭く設定せざるを得ず、有限の資源である電波を有効に活用できないという問題があった。また、所定の通過帯域を保証するような厳しいスペックを設定すると、製造歩留まりが低下するという問題がある。

【0007】

そこで、温度補償のために圧電膜と逆符号の温度依存性を有する薄膜材料を積層したり、圧電膜と逆符号の温度依存性を有する電極膜材料を用いる等の手法が提案されている（例えば特許文献１乃至３）。

【0008】

図４に従来の温度補償型のバルク弾性波共振器の断面図を示す。図４に示すように、支持基板となるシリコン基板１上に下部電極膜２、圧電膜３、温度補償膜４および上部電極膜５が順に積層している。また積層膜の一部を除去した開口６が形成されており、下部電極膜２の下に形成された凹部７に連通した構造となっている。

【0009】

この凹部７は、下部電極膜２を形成する前に、シリコン基板１の一部をエッチング除去して図示しない犠牲層を充填して平坦化した後、下部電極膜２、圧電膜３、温度補償膜４及び上部電極膜５を形成した後、開口６を形成して犠牲層の一部を露出させ、開口６を介して犠牲層をエッチング除去することで形成することができる。

【0010】

図４に示すように温度補償膜４を形成することで、共振周波数の温度依存性を小さくすることが可能となる。なお温度補償膜４は、図４に示すように圧電膜３と上部電極膜５の間に配置する場合に限らず、上部電極膜５の上や、下部電極膜２と圧電膜３の間と圧電膜３と上部電極膜５の間にそれぞれ配置する等、配置を変更することができる。

【0011】

ところで温度補償膜４は、材料によっては厚く積層形成する必要があり、圧電結合係数を減少させたり、Ｑ値を低下させるなど共振器の特性が悪くなるという問題があった。そのため、共振器としての特性を悪化させずに温度補償を実現するバルク弾性波共振器が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特許第５０４７５９４号公報

【特許文献2】特許第４８０５８３６号公報

【特許文献3】特許第４０３７８２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

従来提案されている温度補償型のバルク弾性波共振器は、圧電膜と逆符号の温度依存性を有する薄膜材料を積層したり、圧電膜と逆符号の温度依存性を有する電極膜材料を用いることで温度補償が可能となるものの、圧電結合係数を減少させたり、Ｑ値を低下させるなど共振器の特性を悪くするという問題があった。本発明は、これらの問題を解消した温度補償型のバルク弾性波共振器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】

【0014】

上記目的を達成するため、本願請求項１記載のバルク弾性波共振器は、圧電膜と、該圧電膜を挟む上部電極膜および下部電極膜と、前記圧電膜と逆符号の温度係数を持つ温度補償膜とを含む多層膜とが積層したバルク弾性波共振器において、前記下部電極膜と前記圧電膜と前記上部電極膜の厚さが、前記共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍であり、かつ前記温度補償膜の厚さが、前記共振周波数の波長の１／２の整数倍であることと、前記温度補償膜が、前記圧電膜と逆符号の温度係数を持つ膜と前記圧電膜と同符号の温度係数を有する膜から構成される多層膜であることを特徴とする。

【0015】

本願請求項２記載のバルク弾性波共振器は、凹部を備えた基板上に、下部電極膜、圧電膜および上部電極膜が積層し、さらに前記圧電膜と逆符号の温度係数を持つ温度補償膜とを含む多層膜とが積層したバルク弾性波共振器において、前記下部電極膜と前記圧電膜と前記上部電極膜の厚さが、前記共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍であり、かつ前記温度補償膜の厚さが、前記共振周波数の波長の１／２の整数倍であることと、前記温度補償膜が、前記圧電膜と逆符号の温度係数を持つ膜と前記圧電膜と同符号の温度係数を有する膜から構成される多層膜であることを特徴とする。

【0016】

本願請求項３記載のバルク弾性波共振器は、請求項１又は２いずれか記載のバルク弾性波共振器において、前記温度補償膜は、前記上部電極膜上、前記下部電極膜直下、あるいは前記上部電極膜上および前記下部電極膜直下の両方に積層していることを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、下部電極膜、圧電膜および上部電極膜の全体の厚さを、共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍とし、かつ温度補償層の厚さ共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍とすることで、温度補償膜の無い構造のバルク弾性波共振器と同等の特性が得られ、かつ温度補償も実現することを可能とした。

【0019】

また本発明によれば、電極や圧電膜の材質や積層構造を変えても、温度補償が可能となり、特性の優れたバルク弾性波共振器を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の第１の実施例のバルク弾性波共振器の断面図である。

【図2】本発明の第２の実施例のバルク弾性波共振器の断面図である。

【図3】本発明の第３の実施例のバルク弾性波共振器の断面図である。

【図4】従来のバルク弾性波共振器の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明のバルク弾性波共振器は、下部電極膜と圧電膜と上部電極膜の全体の厚さを、共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍とし、かつ温度補償層の厚さを、共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍とすることで、温度補償と共振器としての特性維持を実現している。以下、本発明の実施例について説明する。

【実施例1】

【0022】

図１は、本発明の第１の実施例のバルク弾性波共振器の断面図である。図１に示すバルク弾性波共振器は、先に説明した従来例のバルク弾性波共振器と比較して、温度補償膜４の構造が相違している。

【0023】

例えば一例として、圧電膜として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、電極膜としてモリブデン（Ｍｏ）を用いると、それぞれ材料の温度係数は約−２５ｐｐｍ／℃、約−６０ｐｐｍ／℃であり、温度補償膜４を備えない従来構造の薄膜バルク弾性波共振器は、−４０ｐｐｍ／℃前後の負の温度係数をもち、温度上昇に伴って共振周波数が下がる傾向があった。

【0024】

そこで本発明では、下部電極膜２、圧電膜３及び上部電極膜５を積層形成し、さらに上部電極膜５上に温度補償膜４を積層形成している。

【0025】

このような構造のバルク弾性波共振器では、下部電極膜２、圧電膜３、上部電極膜５および温度補償膜４のそれぞれの層の厚さや音響インピーダンス、層の密度等により、所定の共振周波数を有している。

【0026】

ここで本実施例では、下部電極膜と圧電膜と上部電極膜の積層膜の厚さを共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍とするとともに、温度補償膜の厚さも共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍とする。ただし、圧電膜が単一の圧電性を有する結晶配向方向を有する場合には、下部電極膜と圧電膜と上部電極膜の総合厚さを共振器の共振周波数の波長の１／２の奇数倍とする。膜厚が概ね等しく互いに逆方向の圧電性を示す結晶配向方向を有する２層の圧電膜から構成される場合には、下部電極膜と２層の圧電膜と上部電極膜の総合厚さを共振器の共振周波数の波長の１／２の２倍とする。また、互いに逆方向の結晶配向方向を有する圧電膜が交互に偶数層積層された多層構造からなる場合は、かかる総合厚さを共振器の共振周波数の波長の１／２の層数倍とする。

【0027】

簡単のため、圧電膜が単一の圧電性を示す結晶配向方向を有し、上記総合厚さが共振周波数の波長の１／２となり、温度補償膜の厚さも共振周波数の１／２となる一次共振の場合について本発明の効果を説明する。なお、２以上の整数倍となる高次の共振の場合についても考え方は同様であるため、説明は省略する。

【0028】

この場合、下部電極膜の下面と上部電極膜の上面（温度補償膜の下面と一致）および温度補償膜の上面が、バルク弾性波振動における歪あるいは応力分布の節となり、全体で１波長分の弾性波が励起されて共振状態となる。この下部電極膜と圧電膜と上部電極膜の積層構造における歪分布は、温度補償膜のない下部電極膜と圧電膜と上部電極膜からなるバルク弾性波共振器の歪分布と一致する。そのため、膜内の歪分布を決める圧電結合係数は概ね同一に保たれ、特性の劣化はない。これに対し図４の従来例に示すように、下部電極膜、圧電膜、温度補償膜と上部電極膜の積層構造で構成され、下部電極膜の下面と上部電極膜の上面が歪分布の節となる共振器の場合には、温度補償膜の有無で下部電極膜と圧電膜と上部電極膜の歪分布は相違し、そのため圧電結合係数が劣化してしまう特性とない、本発明と比較して大いに異なるところである。

【0029】

本発明は、共振器の最下面である下部電極膜の下面と最上面である上部電極膜の上面は温度によらず常に歪分布の節となる。圧電膜と電極膜の温度特性に対して温度補償膜の温度特性の符号が逆である。そのため、温度変動によって圧電膜と電極膜の波長が短くなると温度補償膜の波長が長くなり、互いに相殺することによって共振周波数が温度によらずほぼ一定に保たれ、あるいは共振周波数の温度による変動が緩和される。

【0030】

なお、圧電膜に励起されるバルク弾性波が温度補償膜にしみ出し、温度補償膜の粘性等による弾性的損失が発生するため、Ｑ値は幾分低下するが、従来例のような圧電膜と電極膜の間に温度補償膜を挟む構造に比べて、その低減は軽微である。

【0031】

以上説明したように、温度補償膜の上面および下面が歪分布の節になるようにすれば良いから、温度補償膜の厚さは共振周波数の波長の１／２ばかりでなく、その整数倍であってもよい。

【0032】

温度補償膜４としては、二酸化シリコン膜、不純物をドーピングした二酸化シリコン酸化膜、酸素の組成を変えたシリコン酸化膜やシリコン酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）としてもよい。

【0033】

これらの膜は、温度補償膜４としてバルク弾性波共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍の膜厚としたときに、下部電極膜２、圧電膜３および上部電極膜５で構成される上記共振周波数の波長の１／２の整数倍となる負の温度係数を持つ部分の温度依存性を補償するような特性の膜を選択すればよい。

【実施例2】

【0034】

次に第２の実施例について説明する。上記第１の実施例では、温度補償膜４を上部電極膜５上に積層した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。具体的には図２に示すように下層電極膜２の直下に配置しても良い。

【0035】

本実施例においても、下部電極膜と圧電膜と上部電極膜の積層膜の厚さを共振器の共振周波数の１／２の整数倍とするとともに、温度補償膜の厚さも共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍とする。このように構成すると、上記第１の実施例で説明した構造の上下を反転したものとなり、動作原理およびその効果は、上記第１の実施例と同様となる。

【実施例3】

【0036】

次に第３の実施例について説明する。上記第１あるいは第２の実施例では、温度補償膜４を単一の膜で構成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。具体的には図３に示すように、正の温度係数を有する温度補償膜４上に負の温度係数を有する金属膜８を積層形成し、温度補償膜４と金属膜８との多層膜により温度補償膜として機能するように構成しても良い。負の温度係数を有する金属膜８は、一例としてモリブデンがある。なお、金属膜の代わりに、負の温度係数を有する誘電体膜やシリコンなどの半導体膜としても良い。

【0037】

本実施例において、下部電極膜と圧電膜と上部電極膜の積層膜の厚さを共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍とするとともに、温度補償膜と金属膜等からなる多層膜の全体の厚さも共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍とする。単一の温度補償膜では温度補償効果が課題になり、共振器全体として逆の温度依存性を示すようになる場合には、負と正の温度係数を有する複数の膜を積層した本実施例の構成が有効となる。温度補償膜全体の厚さが共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍にしなければならない本発明の制約下では、積層多層膜の各膜厚を調整することにより、共振周波数の温度変動を完全に抑制することができるからである。

【0038】

本実施例の動作原理およびその効果は、上記第１および第２の実施例と同様である。

【0039】

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。具体的には、圧電膜として窒化アルミニウムに限定されるものでなく、窒化スカンジウムアルミニウム（Ａｌ_1-xＳｃ_xＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）も利用することが可能である。また、上部電極膜あるいは下部電極膜は、モリブデン（Ｍｏ）の代わりに、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属薄膜で形成することができる。同様に、温度補償膜として使用する金属膜についても、モリブデン（Ｍｏ）の代わりに、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属薄膜で形成することができる。

【0040】

また、図３に示す多層構造の温度補償膜は、上記第２の実施例で説明したように、下部電極膜２の直下に積層配置する構造としても良い。この場合、シリコン基板１上に金属膜８を積層し、金属膜８上に温度補償膜４を積層し、温度補償膜４上に下部電極膜４を積層する構造としても、金属膜８と温度補償膜４の積層順を逆にし、金属膜８上に下部電極膜４を積層する構造としてもよい。さらに、温度補償膜を二層構造に限らず、三層以上の多層構造としてもよい。

【0041】

さらにまた、温度補償膜を上部電極上と下層電極直下の両方に配置としても問題ない。この場合、各温度補償膜は、それぞれ共振器の共振周波数の波長の１／２の整数倍とすることで、上記実施例で説明した場合と同様の効果を奏することができる。

【符号の説明】

【0042】

１：シリコン基板、２：下部電極膜、３：圧電膜、４：温度補償膜、５：上部電極膜、６：開口、７：凹部、８：金属膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】