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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】
(24)【登録日】2023-11-15
(45)【発行日】2023-11-24
(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 20060101AFI20231116BHJP
【ＦＩ】
H03H9/17 F
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2019036872
(22)【出願日】2019-02-28
(65)【公開番号】P2020141337
(43)【公開日】2020-09-03
【審査請求日】2022-01-13
(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】谷口 眞司
(72)【発明者】
【氏名】西原 時弘
【審査官】及川 尚人
(56)【参考文献】
【文献】特開平１１－３４０７７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１５－５０１１０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／００９９１２２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０６７９０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１４７７１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０９９９８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１３８８８８（ＵＳ，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た第１電極と、
前記第１電極上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた第２電極と、
前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記第１電極と前記第２電極とが対向する共振領域において、前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方の電極の前記圧電膜と反対の面に設けられ、前記共振領域の中央領域に設けられた薄膜部と前記中央領域を囲む少なくとも一部に前記共振領域の外周に沿って設けられ前記薄膜部より厚い厚膜部とを有し、弾性定数の温度係数の符号が前記圧電膜の弾性定数の温度係数の符号と反対であり、音響インピーダンスが前記圧電膜の音響インピーダンスより小さい絶縁膜と、
前記共振領域において、前記絶縁膜の前記少なくとも一方の電極と反対の面に設けられ、音響インピーダンスが前記絶縁膜の音響インピーダンスより大きな付加膜と、
を備え、
前記絶縁膜は前記第１電極の前記圧電膜と反対の面に設けられた第１絶縁膜を含み、前記第１絶縁膜の厚膜部は前記第１絶縁膜の薄膜部に対し前記基板側に突出する圧電薄膜共振器。
【請求項2】
前記共振領域において、前記第１絶縁膜の前記圧電膜側の面は前記圧電膜と反対の面より平坦である請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項3】
前記絶縁膜は前記第２電極の前記圧電膜と反対の面に設けられた第２絶縁膜を含み、前記第２絶縁膜の厚膜部は前記第２絶縁膜の薄膜部に対し前記圧電膜と反対側に突出する請求項２に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項4】
前記圧電膜は単結晶である請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項5】
前記圧電膜は多結晶である請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項6】
前記絶縁膜の音響インピーダンスは前記圧電膜の音響インピーダンスより小さい請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項7】
前記付加膜は金属膜である請求項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】
請求項１から７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9】
請求項８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、共振領域内に絶縁膜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。共振領域内の積層膜内に温度変化を補償するための温度補償膜を設けることで、温度特性を向上させることが知られている（例えば特許文献１から６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１４－２３９３９２号公報
【文献】特開２０１５－１３９１６７号公報
【文献】特開昭５８－１３７３１７号公報
【文献】特開昭６０－１６０１０号公報
【文献】米国特許第６４２０８２０号明細書
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２６６９２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
圧電膜の内部に温度補償膜を設けると電気機械結合係数が低下する。そこで、下部電極の下、下部電極の内部、上部電極の上または上部電極の内部に温度補償膜を設ける。これにより、電気機械結合係数の低下を抑制しかつ温度特性が向上する。しかしながら、Ｑ値等の共振特性の向上は十分でない。
【0005】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、共振特性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】
【0006】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた第１電極と、前記第１電極上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜上に設けられた第２電極と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記第１電極と前記第２電極とが対向する共振領域において、前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方の電極の前記圧電膜と反対の面に設けられ、前記共振領域の中央領域に設けられた薄膜部と前記中央領域を囲む少なくとも一部に前記共振領域の外周に沿って設けられ前記薄膜部より厚い厚膜部とを有し、弾性定数の温度係数の符号が前記圧電膜の弾性定数の温度係数の符号と反対であり、音響インピーダンスが前記圧電膜の音響インピーダンスより小さい絶縁膜と、前記共振領域において、前記絶縁膜の前記少なくとも一方の電極と反対の面に設けられ、音響インピーダンスが前記絶縁膜の音響インピーダンスより大きな付加膜と、を備え、前記絶縁膜は前記第１電極の前記圧電膜と反対の面に設けられた第１絶縁膜を含み、前記第１絶縁膜の厚膜部は前記第１絶縁膜の薄膜部に対し前記基板側に突出する圧電薄膜共振器である。
【0008】
上記構成において、前記共振領域において、前記第１絶縁膜の前記圧電膜側の面は前記圧電膜と反対の面より平坦である構成とすることができる。
【0009】
上記構成において、前記絶縁膜は前記第２電極の前記圧電膜と反対の面に設けられた第２絶縁膜を含み、前記第２絶縁膜の厚膜部は前記第２絶縁膜の薄膜部に対し前記圧電膜と反対側に突出する構成とすることができる。
【0010】
上記構成において、前記圧電膜は単結晶である構成とすることができる。
【0011】
上記構成において、前記圧電膜は、厚さ方向に延伸する柱状の結晶粒を有する多結晶である構成とすることができる。
【0012】
上記構成において、前記絶縁膜の音響インピーダンスは前記圧電膜の音響インピーダンスより小さい構成とすることができる。
【0013】
上記構成において、前記付加膜は金属膜である構成とすることができる。
【0014】
本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むフィルタである。
【0015】
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】
【0016】
本発明によれば、共振特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、図面を参照し実施例について説明する。
【実施例1】
【0019】
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）は絶縁膜の平面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）は、図１（ａ）および図１（ｂ）のＡ－Ａ断面図である。図２（ａ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図２（ｂ）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。
【0020】
図１（ａ）および図２（ａ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。基板１０の上面に凹部からなる空隙３０が設けられている。基板１０上に下部電極１２が設けられている。下部電極１２上に圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。共振領域５０は圧電膜１４の少なくとも一部を挟む下部電極１２と上部電極１６とが対向する領域で定義される。共振領域５０において、下部電極１２と基板１０との間に絶縁膜２８ａが設けられている。絶縁膜２８ａと基板１０との間に付加膜２６ａが設けられている。積層膜１８は、付加膜２６ａ、絶縁膜２８ａ、下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６を備える。共振領域５０は平面視において空隙３０と重なり、空隙３０より小さい。共振領域５０内の積層膜１８に積層膜１８の厚さの略２倍の波長を有する厚み縦振動モードの弾性波が共振する。共振領域５０の平面形状は楕円形状である。
【0021】
絶縁膜２８ａは弾性定数の温度係数の符号が圧電膜１４の弾性定数の温度係数の符号と反対である。これにより、絶縁膜２８ａは温度補償膜として機能し、共振周波数等の周波数温度係数を小さくできる。付加膜２６ａの音響インピーダンスは絶縁膜２８ａの音響インピーダンスより大きい。これにより、絶縁膜２８ａを薄くでき電気機械結合係数を向上できる。付加膜２６ａは金属膜でも絶縁膜でもよい。付加膜２６ａが金属膜のとき付加膜２６ａは、下部電極１２と電気的に絶縁されていてもよいし、下部電極１２と電気的に接続されていいてもよい。
【0022】
図１（ｂ）および図２（ａ）に示すように、絶縁膜２８ａは薄膜部２２ａと厚膜部２２ｂを有する。厚膜部２２ｂの厚さｔｂは薄膜部２２ａの厚さｔａより大きい。薄膜部２２ａは共振領域５０の中央領域に設けられている。中央領域は共振領域５０の中心を含む領域である。厚膜部２２ｂは中央領域を囲む少なくとも一部に共振領域５０の外周に沿って設けられている。これにより、厚膜部２２ｂが横方向に伝搬する弾性波を反射するため、弾性波のエネルギーが共振領域５０から漏れることを抑制する。よって、Ｑ値等が向上する。共振領域５０より外側の絶縁膜２８ａは厚膜部２２ｂでもよいし薄膜部２２ａでもよい。厚膜部２２ｂにおいて弾性波を反射するため、絶縁膜２８ａの音響インピーダンスは圧電膜１４の音響インピーダンスより小さいことが好ましい。
【0023】
上部電極１６上には周波数調整膜および／またはパッシベーション膜として絶縁膜が設けられていてもよい。
【0024】
図１（ａ）および図２（ｂ）に示すように、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。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。質量負荷膜２０を設けることで、直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差を調整することができる。その他の構成は直列共振器Ｓの図１（ｂ）と同じであり説明を省略する。
【0025】
基板１０は、例えばシリコン基板であり、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基板等でもよい。下部電極１２および上部電極１６は、例えばルテニウム（Ｒｕ）膜および／またはクロム（Ｃｒ）膜であり、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でもよい。
【0026】
圧電膜１４は、例えばＣ軸配向した窒化アルミニウム膜（ＡｌＮ）であり、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、水晶等である。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族元素と４族元素との２つの元素、または２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）または亜鉛（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。
【0027】
絶縁膜２８ａは、例えば酸化シリコン膜であり、窒化シリコン膜、酸化ゲルマニウム膜等である。絶縁膜２８ａは酸化シリコンを主成分とし、弗素（Ｆ）、水素（Ｈ）、ＣＨ３、ＣＨ２、塩素（Ｃｌ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）および／または硫黄（Ｓ）等が添加されていてよい。絶縁膜２８ａの音響インピーダンスは圧電膜１４の音響インピーダンスより小さいことが好ましい。これにより、厚膜部２２ｂにおいて横方向の弾性波を反射させることができる。絶縁膜２８ａは複数の膜が積層されていてもよい。
【0028】
付加膜２６ａは例えばルテニウム膜またはクロム膜であり、下部電極１２および上部電極１６に用いる金属膜でもよいし、窒化アルミニウム膜または酸化アルミニウム膜等の絶縁膜でもよい。
【0029】
［実施例１の変形例１］
図３（ａ）は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図３（ａ）に示すように、実施例１の変形例１では、絶縁膜２８ａは下部電極１２および付加膜２６ａより大きく、下部電極１２および付加膜２６ａの端の外側まで設けられている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図３（ａ）は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図３（ａ）に示すように、実施例１の変形例１では、絶縁膜２８ａは下部電極１２および付加膜２６ａより大きく、下部電極１２および付加膜２６ａの端の外側まで設けられている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0030】
［実施例１の変形例２］
図３（ｂ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図３（ｂ）に示すように、実施例１の変形例２では、下部電極１２の下に絶縁膜２８ａおよび付加膜２６ａは設けられていない。上部電極１６上に絶縁膜２８ｂ、絶縁膜２８ｂ上に付加膜２６ｂが設けられている。絶縁膜２８ｂは薄膜部２２ａおよび厚膜部２２ｂを有している。薄膜部２２ａは共振領域５０の中央領域に設けられ、厚膜部２２ｂは薄膜部２２ａを囲むように共振領域５０の外周に沿って設けられている。絶縁膜２８ｂおよび付加膜２６ｂの材料としては絶縁膜２８ａおよび付加膜２６ａで例示した材料を用いる。付加膜２６ｂが金属膜のとき、付加膜２６ｂは上部電極１６と電気的に絶縁させていてもよいし、電気的に接続されていてもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図３（ｂ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図３（ｂ）に示すように、実施例１の変形例２では、下部電極１２の下に絶縁膜２８ａおよび付加膜２６ａは設けられていない。上部電極１６上に絶縁膜２８ｂ、絶縁膜２８ｂ上に付加膜２６ｂが設けられている。絶縁膜２８ｂは薄膜部２２ａおよび厚膜部２２ｂを有している。薄膜部２２ａは共振領域５０の中央領域に設けられ、厚膜部２２ｂは薄膜部２２ａを囲むように共振領域５０の外周に沿って設けられている。絶縁膜２８ｂおよび付加膜２６ｂの材料としては絶縁膜２８ａおよび付加膜２６ａで例示した材料を用いる。付加膜２６ｂが金属膜のとき、付加膜２６ｂは上部電極１６と電気的に絶縁させていてもよいし、電気的に接続されていてもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【0031】
［実施例１の変形例３］
図４（ａ）は、実施例１の変形例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図４(ａ)に示すように、実施例１の変形例３では、下部電極１２と付加膜２６ａとは接触しており、電気的に短絡している。下部電極１２の下および上部電極１６の上にそれぞれ絶縁膜２８ａおよび２８ｂが設けられている。絶縁膜２８ａの下および絶縁膜２８ｂの上にそれぞれ付加膜２６ａおよび２６ｂが設けられている。絶縁膜２８ａおよび２８ｂは各々薄膜部２２ａおよび厚膜部２２ｂを有している。共振領域５０内において、絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂと絶縁膜２８ｂの厚膜部２２ｂとは重なっている。共振領域５０内において、絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂと絶縁膜２８ｂの厚膜部２２ｂとは少なくとも一部が重なっていればよい。絶縁膜２８ａと２８ｂとは同じ材料からなる膜でもよいし、異なる材料からなる膜でもよい。付加膜２６ａと２６ｂとは同じ材料からなる膜でもよいし、異なる材料からなる膜でもよい。その他の構成は実施例１および実施例１の変形例２と同じであり説明を省略する。
図４（ａ）は、実施例１の変形例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図４(ａ)に示すように、実施例１の変形例３では、下部電極１２と付加膜２６ａとは接触しており、電気的に短絡している。下部電極１２の下および上部電極１６の上にそれぞれ絶縁膜２８ａおよび２８ｂが設けられている。絶縁膜２８ａの下および絶縁膜２８ｂの上にそれぞれ付加膜２６ａおよび２６ｂが設けられている。絶縁膜２８ａおよび２８ｂは各々薄膜部２２ａおよび厚膜部２２ｂを有している。共振領域５０内において、絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂと絶縁膜２８ｂの厚膜部２２ｂとは重なっている。共振領域５０内において、絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂと絶縁膜２８ｂの厚膜部２２ｂとは少なくとも一部が重なっていればよい。絶縁膜２８ａと２８ｂとは同じ材料からなる膜でもよいし、異なる材料からなる膜でもよい。付加膜２６ａと２６ｂとは同じ材料からなる膜でもよいし、異なる材料からなる膜でもよい。その他の構成は実施例１および実施例１の変形例２と同じであり説明を省略する。
【0032】
実施例１およびその変形例１、２のように、絶縁膜２８ａおよび２８ｂは下部電極１２の下および上部電極１６の上のいずれか一方または両方に設けられていればよい。
【0033】
［実施例１の変形例４］
図４（ｂ）は、実施例１の変形例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図４(ｂ)に示すように、実施例１の変形例４では、絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂの下面は薄膜部２２ａの下面に対し下に突出している。厚膜部２２ｂと薄膜部２２ａの上面はほぼ平坦である。絶縁膜２８ｂの厚膜部２２ｂの上面は薄膜部２２ａの上面に対し上に突出している。厚膜部２２ｂと薄膜部２２ａの下面はほぼ平坦である。共振領域５０より外側は厚膜部２２ｂである。その他の構成は実施例１の変形例３と同じであり説明を省略する。
図４（ｂ）は、実施例１の変形例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図４(ｂ)に示すように、実施例１の変形例４では、絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂの下面は薄膜部２２ａの下面に対し下に突出している。厚膜部２２ｂと薄膜部２２ａの上面はほぼ平坦である。絶縁膜２８ｂの厚膜部２２ｂの上面は薄膜部２２ａの上面に対し上に突出している。厚膜部２２ｂと薄膜部２２ａの下面はほぼ平坦である。共振領域５０より外側は厚膜部２２ｂである。その他の構成は実施例１の変形例３と同じであり説明を省略する。
【0034】
［実施例１の変形例４の製造方法］
図５（ａ）から図７（ｂ）は、実施例１の変形例４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５（ａ）に示すように、基板１０の上面に凹部からなる空隙３０をエッチング法等を用い形成する。
図５（ａ）から図７（ｂ）は、実施例１の変形例４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５（ａ）に示すように、基板１０の上面に凹部からなる空隙３０をエッチング法等を用い形成する。
【0035】
図５（ｂ）に示すように、空隙３０に犠牲層３８を形成する。犠牲層３８は酸化マグネシウム（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。犠牲層３８の上面には凸部が設けられている。犠牲層３８の上面のうち外周領域３６ｂの上面は基板１０の上面とほぼ同じ高さである。犠牲層３８の上面のうち中央領域３６ａの上面は、外周領域３６ｂの上面より高い。
【0036】
図５（ｃ）に示すように、基板１０および犠牲層３８上に付加膜２６ａを例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い形成する。
【0037】
図６（ａ）に示すように、付加膜２６ａ上に絶縁膜２８ａを例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。絶縁膜２８ａの上面をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)法を用い平坦化する。
【0038】
図６（ｂ）に示すように、絶縁膜２８ａ上に下部電極１２を例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。図６（ｃ）に示すように、下部電極１２、絶縁膜２８ａおよび付加膜２６ａを例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いパターニングする。このとき、下部電極１２、絶縁膜２８ａおよび付加膜２６ａの端面と基板１０および犠牲層３８の上面との角度が鋭角になることが好ましい。
【0039】
図７（ａ）に示すように、基板１０および下部電極１２上に圧電膜１４を例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。図７（ｂ）に示すように、圧電膜１４上に上部電極１６、絶縁膜２８ｂおよび付加膜２６ｂを例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。絶縁膜２８ｂは薄膜部２２ａと厚膜部２２ｂを有するように形成する。付加膜２６ｂ、絶縁膜２８ｂおよび上部電極１６を例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いパターニングする。その後、犠牲層３８を除去することで、図４（ｂ）の圧電薄膜共振器が形成される。
【0040】
実施例１の変形例４では、絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂが薄膜部２２ａに対し下に突出し、共振領域５０内の絶縁膜２８ａおよび下部電極１２の上面が略平坦である。このため、圧電膜１４を形成するときに、圧電膜１４の結晶性を高めることができる。
【0041】
［実施例１の変形例５］
図８は、実施例１の変形例５に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図８に示すように、実施例１の変形例５では、圧電膜１４は単結晶圧電基板であり、例えば単結晶窒化アルミニウム基板、単結晶タンタル酸リチウム基板、単結晶ニオブ酸リチウム基板または単結晶水晶基板である。付加膜２６ａ、絶縁膜２８ａおよび下部電極１２を囲むように絶縁膜２４が設けられている。絶縁膜２４は例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化アルミニウム膜等の無機絶縁膜、または樹脂等の有機絶縁膜である。圧電膜１４の下面は平坦である。その他の構成は実施例１の変形例４と同じであり説明を省略する。
図８は、実施例１の変形例５に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図８に示すように、実施例１の変形例５では、圧電膜１４は単結晶圧電基板であり、例えば単結晶窒化アルミニウム基板、単結晶タンタル酸リチウム基板、単結晶ニオブ酸リチウム基板または単結晶水晶基板である。付加膜２６ａ、絶縁膜２８ａおよび下部電極１２を囲むように絶縁膜２４が設けられている。絶縁膜２４は例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化アルミニウム膜等の無機絶縁膜、または樹脂等の有機絶縁膜である。圧電膜１４の下面は平坦である。その他の構成は実施例１の変形例４と同じであり説明を省略する。
【0042】
［実施例１の変形例５の製造方法］
図９（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例１の変形例５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９（ａ）に示すように、圧電膜１４として単結晶圧電基板を準備する。圧電膜１４上に下部電極１２、絶縁膜２８ａおよび付加膜２６ａを例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。絶縁膜２８ａは薄膜部２２ａと厚膜部２２ｂを有するように形成する。
図９（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例１の変形例５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９（ａ）に示すように、圧電膜１４として単結晶圧電基板を準備する。圧電膜１４上に下部電極１２、絶縁膜２８ａおよび付加膜２６ａを例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。絶縁膜２８ａは薄膜部２２ａと厚膜部２２ｂを有するように形成する。
【0043】
図９（ｂ）に示すように、付加膜２６ａ、絶縁膜２８ａおよび下部電極１２を例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いパターニングする。図９（ｃ）に示すように、圧電膜１４上、付加膜２６ａ、絶縁膜２８ａおよび下部電極１２を取り除いた圧電膜１４上に絶縁膜２４を形成し、絶縁膜２４の上面を例えばＣＭＰ法を用い平坦化する。
【0044】
図１０（ａ）に示すように、付加膜２６ａおよび絶縁膜２４の上面に基板１０を例えば表面活性化法を用い常温接合する。基板１０には凹部が設けられ、凹部内に犠牲層３８が設けられている。図１０（ｂ）に示すように、上下を逆にし、圧電膜１４を例えばＣＭＰ法を用い薄膜化する。
【0045】
図１０（ｃ）に示すように、圧電膜１４上に上部電極１６、絶縁膜２８ｂおよび付加膜２６ｂを例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。絶縁膜２８ｂは薄膜部２２ａと厚膜部２２ｂを有するように形成する。その後、犠牲層３８を除去することで、図８の圧電薄膜共振器が形成される。
【0046】
実施例１の変形例５では、圧電膜１４が単結晶基板である。これにより、圧電薄膜共振器の電気機械結合係数等を向上させることができる。絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂが薄膜部２２ａに対し下に突出し、絶縁膜２８ｂの厚膜部２２ｂが薄膜部２２ａに対し上に突出している。これにより、圧電膜１４が単結晶であっても絶縁膜２８ａに厚膜部２２ｂと薄膜部２２ａを形成することができる。
【0047】
［実施例１の変形例６］
図１１（ａ）は、実施例１の変形例６に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１１（ａ）に示すように、実施例１の変形例６では、絶縁膜２８ａは厚膜部２２ｂを有さず、絶縁膜２８ａの厚さは略均一である。絶縁膜２８ｂは厚膜部２２ｂおよび薄膜部２２ａを有している。その他の構成は実施例１の変形例５と同じであり説明を省略する。
図１１（ａ）は、実施例１の変形例６に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１１（ａ）に示すように、実施例１の変形例６では、絶縁膜２８ａは厚膜部２２ｂを有さず、絶縁膜２８ａの厚さは略均一である。絶縁膜２８ｂは厚膜部２２ｂおよび薄膜部２２ａを有している。その他の構成は実施例１の変形例５と同じであり説明を省略する。
【0048】
［実施例１の変形例７］
図１１（ｂ）は、実施例１の変形例7に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１１（ｂ）に示すように、実施例１の変形例７では、絶縁膜２８ｂは厚膜部２２ｂを有さず、絶縁膜２８ｂの厚さは略均一である。絶縁膜２８ａは厚膜部２２ｂおよび薄膜部２２ａを有している。その他の構成は実施例１の変形例５と同じであり説明を省略する。
図１１（ｂ）は、実施例１の変形例7に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１１（ｂ）に示すように、実施例１の変形例７では、絶縁膜２８ｂは厚膜部２２ｂを有さず、絶縁膜２８ｂの厚さは略均一である。絶縁膜２８ａは厚膜部２２ｂおよび薄膜部２２ａを有している。その他の構成は実施例１の変形例５と同じであり説明を省略する。
【0049】
実施例１の変形例６および７のように、絶縁膜２８ａおよび２８ｂのいずれか一方は厚膜部２２ｂを有さなくてもよい。
【0050】
［実施例１の変形例８］
図１２（ａ）は、実施例１の変形例８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、実施例１の変形例８では、基板１０の上面は平坦である。空隙３０は基板１０の上面と付加膜２６ａ（または下部電極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。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
図１２（ａ）は、実施例１の変形例８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、実施例１の変形例８では、基板１０の上面は平坦である。空隙３０は基板１０の上面と付加膜２６ａ（または下部電極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。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
【0051】
［実施例１の変形例９］
図１２（ｂ）は、実施例１の変形例９に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１２（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。
図１２（ｂ）は、実施例１の変形例９に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１２（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。
【0052】
実施例１およびその変形例１から８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９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。実施例１の変形例１から８において、空隙３０の代わりに音響反射膜３１を設けてもよい。音響反射層は、空隙３０または音響反射膜３１を含めばよい。
【0053】
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。
【0054】
［シミュレーション］
絶縁膜２８ａを有する実施例１の変形例４と絶縁膜２８ａを有しない比較例１においてＱ値を２次元有限要素法を用い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。
基板１０：シリコン基板
付加膜２６ａ：厚さが１３０ｎｍのクロム膜
絶縁膜２８ａの薄膜部２２ａ：厚さが１４０ｎｍの弗素添加の酸化シリコン膜
絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂ：厚さが２４０ｎｍの弗素添加の酸化シリコン膜
下部電極１２：厚さが１９０ｎｍのルテニウム膜
圧電膜１４：厚さが１１２０ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６：厚さが１９０ｎｍのルテニウム膜
絶縁膜２８ｂの薄膜部２２ａ：厚さが１４０ｎｍの弗素添加の酸化シリコン膜
絶縁膜２８ｂの厚膜部２２ｂ：厚さが２４０ｎｍの弗素添加の酸化シリコン膜
付加膜２６ｂ：厚さが４０ｎｍのクロム膜
パッシベーション膜：厚さが５０ｎｍの酸化シリコン膜
絶縁膜２８ａを有する実施例１の変形例４と絶縁膜２８ａを有しない比較例１においてＱ値を２次元有限要素法を用い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。
基板１０：シリコン基板
付加膜２６ａ：厚さが１３０ｎｍのクロム膜
絶縁膜２８ａの薄膜部２２ａ：厚さが１４０ｎｍの弗素添加の酸化シリコン膜
絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂ：厚さが２４０ｎｍの弗素添加の酸化シリコン膜
下部電極１２：厚さが１９０ｎｍのルテニウム膜
圧電膜１４：厚さが１１２０ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６：厚さが１９０ｎｍのルテニウム膜
絶縁膜２８ｂの薄膜部２２ａ：厚さが１４０ｎｍの弗素添加の酸化シリコン膜
絶縁膜２８ｂの厚膜部２２ｂ：厚さが２４０ｎｍの弗素添加の酸化シリコン膜
付加膜２６ｂ：厚さが４０ｎｍのクロム膜
パッシベーション膜：厚さが５０ｎｍの酸化シリコン膜
【0055】
【0056】
圧電膜１４の内部に温度補償膜として機能する絶縁膜を設けると電気機械結合係数が低下する。また、圧電膜１４を２回に分けて成膜することになる。圧電膜１４をスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する場合、成膜が進むにともない結晶粒が大きくなり結晶性がよくなる。圧電膜１４を２回に分けて成膜すると圧電膜１４の結晶性が低下する。
【0057】
そこで、実施例１およびその変形例によれば、下部電極１２と付加膜２６ａとの間に絶縁膜２８ａを設ける、および／または上部電極１６と付加膜２６ｂとの間に絶縁膜２８ｂを設ける。絶縁膜２８ａおよび２８ｂの弾性定数の温度係数の符号は圧電膜１４の弾性定数の温度係数に符号と反対であり、付加膜２６ａおよび２６ｂの音響インピーダンスは絶縁膜２８ａおよび２８ｂの音響インピーダンスより大きい。これにより、電気機械結合係数の低下を抑制しかつ温度特性が向上する。しかしながら、Ｑ値等の共振特性の向上は十分でない。
【0058】
そこで、共振領域５０において、下部電極１２（第１電極）および上部電極１６（第２電極）の少なくとも一方の電極の圧電膜１４と反対の面に設けられ、共振領域５０の中央領域に設けられた薄膜部２２ａと中央領域を囲む少なくとも一部に共振領域５０の外周に沿って設けられ薄膜部２２ａより厚い厚膜部２２ｂとを有する。これにより、横方向に伝搬する弾性波が共振領域５０の外側に漏洩することが抑制される。よって、Ｑ値等の共振特性が向上する。
【0059】
絶縁膜２８ａおよび２８ｂの薄膜部２２ａの厚さは１０ｎｍから５００ｎｍが好ましい。これにより、周波数温度係数を小さくできる。厚膜部２２ｂの厚さは、薄膜部２２ａの厚さより１０ｎｍから５００ｎｍ厚いことが好ましい。これにより、Ｑ値等の共振特性を向上できる。厚膜部２２ｂの厚さは薄膜部２２ａの厚さの１．１倍から３倍であることが好ましい。これにより、Ｑ値等の共振特性を向上できる。厚膜部２２ｂの幅は弾性波の波長（共振領域における積層膜１８の厚さの２倍）の０．１倍から１０倍であることが好ましい。共振領域５０の大きさは弾性波の波長の１倍以上が好ましく、１０倍以上がより好ましい。
【0060】
絶縁膜２８ａ（第１絶縁膜）は下部電極１２の圧電膜１４と反対の面に設けられている。絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂは絶縁膜２８ａの薄膜部２２ａに対し基板１０側に突出する。これにより、実施例１の変形例４および５のように、共振領域５０において、絶縁膜２８ａの圧電膜１４側の面は圧電膜１４と反対の面より平坦にできる。
【0061】
これにより、図７（ｂ）において、圧電膜１４を形成するときに、圧電膜１４の結晶性を高めることができる。例えば、圧電膜１４をスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成すると、圧電膜１４は多結晶となる。この場合、下部電極１２の上面に凹凸が存在すると、圧電膜１４の配向性が低下する。また、圧電膜１４の強度が劣化する（例えばクラック等が発生する）。特に、圧電膜１４が厚さ方向に延伸する柱状の結晶粒を有する多結晶の場合、圧電膜１４の配向性が低下し、クラック等が発生しやすい。そこで、絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂを基板１０側に突出させることで、圧電膜１４の配向性を高め結晶性を高めることができる。また、厚膜部２２ｂが補強になるため積層膜１８の強度を高めることができる。
【0062】
また、絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂが上に突出する場合、圧電膜１４を単結晶とすることが難しい。図９（ａ）から図１０（ｃ）のように、絶縁膜２８ａの厚膜部２２ｂを基板１０側に突出させることで、絶縁膜２８ａに厚膜部２２ｂを設けることができる。
【0063】
実施例１の変形例４および５のように、絶縁膜２８ｂ（第２絶縁膜）は上部電極１６の圧電膜１４と反対の面に設けられている。絶縁膜２８ｂの厚膜部２２ｂは絶縁膜２８ｂの薄膜部２２ａに対し圧電膜１４と反対側に突出する。これにより、共振領域５０において、絶縁膜２８ｂの圧電膜１４側の面は圧電膜１４と反対の面より平坦にできる。
【0064】
絶縁膜２８ａおよび２８ｂの音響インピーダンスは圧電膜１４の音響インピーダンスより小さい。これにより、厚膜部２２ｂにおいて横方向に伝搬する弾性波を反射し、Ｑ値等の共振特性を向上させることができる。
【0065】
付加膜２６ａおよび２６ｂは金属膜である。付加膜２６ａと下部電極１２とは絶縁膜２８ａにより絶縁されていてもよいし、図４（ａ）のように電気的に短絡されていてもよい。付加膜２６ｂと上部電極１６とは絶縁膜２８ｂにより絶縁されていてもよいし、電気的に短絡されていてもよい。
【実施例2】
【0066】
実施例２はデュプレクサの例である。図１４は、実施例２に係るデュプレクサの回路図である。図１４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。
【0067】
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およびその変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
【0068】
図１５（ａ）は、実施例２における送信フィルタの平面図および断面図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、実施例１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が形成されている。開口３６を介し下部電極１２と電気的に接続することができる。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。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。
【0069】
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２およびその変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
【0070】
フィルタが実施例およびその変形例の圧電薄膜共振器を含む。これにより、Ｑ値等の共振特性を向上できる。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。
【0071】
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】
【0072】
１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
２２ａ 薄膜部
２２ｂ 厚膜部
２４、２８ａ、２８ｂ 絶縁膜
２６ａ、２６ｂ 付加膜
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
２２ａ 薄膜部
２２ｂ 厚膜部
２４、２８ａ、２８ｂ 絶縁膜
２６ａ、２６ｂ 付加膜
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
【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】