(57)【要約】【課題】共振特性を向上させること。【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対向する上部電極と、前記圧電膜の少なくとも一部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の中央領域に設けられておらず、前記中央領域を囲む少なくとも一部の領域において前記共振領域の外周に沿って前記中央領域を囲むように、前記下部電極と前記上部電極との間に挿入された第１挿入膜と、前記中央領域および前記第１挿入膜が設けられた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からなる積層膜内に挿入され、前記圧電膜の弾性定数の温度係数の符号と逆の温度係数の符号を有し、前記第１挿入膜のヤング率より高いヤング率を有する第２挿入膜と、を備える圧電薄膜共振器。【選択図】図２
2020178187.tif 000002
【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対向する上部電極と、
前記圧電膜の少なくとも一部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の中央領域に設けられておらず、前記中央領域を囲む少なくとも一部の領域において前記共振領域の外周に沿って前記中央領域を囲むように、前記下部電極と前記上部電極との間に挿入された第１挿入膜と、
前記中央領域および前記第１挿入膜が設けられた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からなる積層膜内に挿入され、前記圧電膜の弾性定数の温度係数の符号と逆の温度係数の符号を有し、前記第１挿入膜のヤング率より高いヤング率を有する第２挿入膜と、
を備える圧電薄膜共振器。
【請求項２】
前記第１挿入膜および前記第２挿入膜は主成分が同じである請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項３】
前記圧電膜は窒化アルミニウムを主成分とし、
前記第１挿入膜および前記第２挿入膜は酸化シリコンを主成分とする請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項４】
前記第１挿入膜と前記第２挿入膜とは接する請求項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】
前記圧電膜は前記下部電極上に設けられた下部圧電膜と前記下部圧電膜上に設けられた上部圧電膜を有し、
前記第１挿入膜は前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に挿入されている請求項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】
前記第２挿入膜は、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に挿入されている請求項５に記載の圧電薄膜共振器。
【請求項７】
前記第２挿入膜は前記共振領域の全てに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】
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。
【請求項１０】
基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電膜を形成する工程と、
前記圧電膜上に、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と対向する上部電極を形成する工程と、
前記圧電膜の少なくとも一部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の中央領域に設けられておらず、前記中央領域を囲む少なくとも一部の領域において前記共振領域の外周に沿って前記中央領域を囲むように、前記下部電極と前記上部電極との間に、酸化シリコンを主成分とする第１挿入膜をスパッタリング法を用い形成する工程と、
前記中央領域の前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極からなる積層膜内に、前記圧電膜の弾性定数の温度係数の符号と逆の温度係数の符号を有し、酸化シリコンを主成分とする第２挿入膜をＣＶＤ法を用い形成する工程と、
を含む圧電薄膜共振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜共振器およびその製造方法、フィルタ並びにマルチプレクサに関し、例えば挿入膜を有する圧電薄膜共振器およびその製造方法、フィルタ並びにマルチプレクサに関する。
【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マルチ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積層構造を有している。圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する領域が共振領域である。共振領域の圧電膜内に絶縁膜を設けることが知られている（例えば特許文献１)。共振領域の外周領域に挿入膜を設けることが知られている（例えば特許文献２）。共振領域の圧電膜内に、外周領域が中央領域より厚い挿入膜を設けることが知られている（例えば特許文献３)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−３４１３０号公報
【特許文献２】特開２０１８−３７９０６号公報
【特許文献３】特開２０１５−１３９１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献３では、共振領域の中央領域の挿入膜を弾性定数の温度係数の符号が圧電膜の弾性定数の温度係数の符号と反対とし、外周領域の挿入膜のヤング率を圧電膜のヤング率より低くする。これにより、共振特性の温度変化を抑制し、かつ共振特性の劣化を抑制することができる。しかしながら、Ｑ値等の共振特性は十分ではない。
【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対向する上部電極と、前記圧電膜の少なくとも一部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の中央領域に設けられておらず、前記中央領域を囲む少なくとも一部の領域において前記共振領域の外周に沿って前記中央領域を囲むように、前記下部電極と前記上部電極との間に挿入された第１挿入膜と、前記中央領域および前記第１挿入膜が設けられた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からなる積層膜内に挿入され、前記圧電膜の弾性定数の温度係数の符号と逆の温度係数の符号を有し、前記第１挿入膜のヤング率より高いヤング率を有する第２挿入膜と、を備える圧電薄膜共振器である。
【０００７】
上記構成において、前記第１挿入膜および前記第２挿入膜は主成分が同じである構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記圧電膜は窒化アルミニウムを主成分とし、前記第１挿入膜および前記第２挿入膜は酸化シリコンを主成分とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記第１挿入膜と前記第２挿入膜とは接する構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記圧電膜は前記下部電極上に設けられた下部圧電膜と前記下部圧電膜上に設けられた上部圧電膜を有し、前記第１挿入膜は前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に挿入されている構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記第２挿入膜は、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に挿入されている構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記第２挿入膜は前記共振領域の全てに設けられている構成とすることができる。
【００１３】
本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むフィルタである。
【００１４】
本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。
【００１５】
本発明は、基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に圧電膜を形成する工程と、前記圧電膜上に、前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と対向する上部電極を形成する工程と、前記圧電膜の少なくとも一部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の中央領域に設けられておらず、前記中央領域を囲む少なくとも一部の領域において前記共振領域の外周に沿って前記中央領域を囲むように、前記下部電極と前記上部電極との間に、酸化シリコンを主成分とする第１挿入膜をスパッタリング法を用い形成する工程と、前記中央領域の前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極からなる積層膜内に、前記圧電膜の弾性定数の温度係数の符号と逆の温度係数の符号を有し、酸化シリコンを主成分とする第２挿入膜をＣＶＤ法を用い形成する工程と、を含む圧電薄膜共振器の製造方法である。
【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】
【図１】図１（ａ）および図１（ｂ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの平面図である。
【図２】図２は、図１（ａ）および図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｄ）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（その１）である。
【図４】図４（ａ）から図４（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（その２）である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）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（その３）である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、ＣＶＤ膜およびスパッタ膜のＴＥＭ観察の模式図である。
【図７】図７は、シミュレーションに用いた圧電薄膜共振器の断面図である。
【図８】図８（ａ）および図８（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例１および２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。
【図９】図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例３および４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。
【図１０】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例５および６に係る圧電薄膜共振器の断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図、図１１（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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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】
【００１９】
図１（ａ）および図１（ｂ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの平面図であり、図２は、図１（ａ）および図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ａ）は、基板１０、下部電極１２および上部電極１６を主に示し、図１（ｂ）は、基板１０、挿入膜２８ａ、２８ｂおよび共振領域５０を主に示す。
【００２０】
図１（ａ）から図２に示すように、基板１０上に、空隙３０を挟み下部電極１２が設けられている。基板１０は例えばシリコン基板である。空隙３０は、圧電膜１４に励振された弾性波を反射する音響反射層として機能する。下部電極１２は例えば基板１０側からクロム（Ｃｒ）膜およびルテニウム（Ｒｕ）膜である。
【００２１】
下部電極１２上に、（００１）方向を主軸とする（すなわちＣ軸配向性を有する）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とを有する。
【００２２】
下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８ａおよび２８ｂが設けられている。挿入膜２８ａは共振領域５０の中央領域５４には設けられておらず、中央領域５４を囲む外周領域５２に設けられている。中央領域５４は共振領域５０の中心（幾何学的な中心でなくてもよい）を含む領域であり、外周領域５２は共振領域５０の外周を含み外周に沿った領域である。挿入膜２８ｂは共振領域５０の中央領域５４および外周領域５２の全体に設けられている。挿入膜２８ａおよび２８ｂは例えば酸化シリコンを主成分とする。
【００２３】
挿入膜２８ａおよび２８ｂの弾性定数の温度係数の符号を圧電膜１４の弾性定数の温度係数の符号と正負を反対とすることで、圧電薄膜共振器の共振特性の温度変化（例えば共振周波数の温度変化）を抑制できる。外周領域５２に挿入膜２８ａおよび２８ｂを設けることで弾性波が共振領域５０から漏れることを抑制しＱ値等の損失を抑制できる。さらに、挿入膜２８ａのヤング率は挿入膜２８ｂのヤング率より低い。これにより、Ｑ値等の損失をより抑制できる。
【００２４】
圧電膜１４の少なくとも一部を挟み下部電極１２と対向する共振領域５０を形成するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。下部電極１２、圧電膜１４、上部電極１６および挿入膜２８ａ、２８ｂは積層膜１８を形成する。共振領域５０は、楕円形状を有し、積層膜１８内に厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。これにより、圧電膜１４に励振された弾性波は空隙３０により反射される。上部電極１６は例えば圧電膜１４側からルテニウム膜およびクロム膜である。
【００２５】
上部電極１６上に保護膜２４が設けられている。保護膜２４は例えば酸化シリコン膜である。下部電極１２および上部電極１６上に金属層２０が設けられている。金属層２０は、下部電極１２および上部電極１６とそれぞれ電気的に接続されている。金属層２０は、配線および／または電極として機能する。空隙３０は、平面視において共振領域５０と重なり、共振領域５０と同じ大きさまたは共振領域５０より大きい。
【００２６】
下部電極１２が共振領域５０から引き出される領域における共振領域５０内の挿入膜２８ａの幅をＷ１とし、上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域における共振領域５０内の挿入膜２８ａの幅をＷ２とする。幅Ｗ１とＷ２とは互いに同じでもよいし、異なっていてもよい。
【００２７】
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および上部電極１６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、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。
【００２８】
圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、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。
【００２９】
挿入膜２８ａおよび２８ｂとしては酸化シリコンを主成分とし、弗素等の不純物を含んでもよい。保護膜２４は、酸化シリコン膜以外に窒化シリコン膜または酸化アルミニウム膜等の絶縁膜を用いることができる。金属層２０は例えば銅層、金層またはアルミニウム層である。
【００３０】
［実施例１の製造方法］
図３（ａ）から図５（ｂ）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、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、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。犠牲層３８の膜厚は、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、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。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。次に、犠牲層３８および基板１０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。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。
【００３１】
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。
【００３２】
図３（ｃ）に示すように、挿入膜２８ａ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２８ａは、リフトオフ法を用い形成してもよい。図３（ｄ）に示すように、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８ａ上に挿入膜２８ｂ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。挿入膜２８ｂ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２８ｂは、リフトオフ法を用い形成してもよい。
【００３３】
図４（ａ）に示すように、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８ｂ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形成する。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、圧電膜１４内に挿入膜２８ａおよび２８ｂが挿入される。圧電膜１４上に上部電極１６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。
【００３４】
図４（ｂ）に示すように、上部電極１６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は、リフトオフ法を用い形成してもよい。上部電極１６をマスクに上部圧電膜１４ｂおよび下部圧電膜１４ａをエッチング法を用い除去する。図４（ｃ）に示すように、下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜２８ａ、２８ｂおよび上部電極１６を覆うように保護膜２４を形成する。
【００３５】
図５（ａ）に示すように、保護膜２４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。図５（ｂ）に示すように、下部電極１２および上部電極１６上に金属層２０を、例えばめっき法、スパッタリング法または真空蒸着法を用い形成する。
【００３６】
その後、犠牲層３８をエッチング液を用い除去する。これにより、図１（ａ）から図２の圧電薄膜共振器が製造される。積層膜１８の応力を圧縮応力となるように設定しておいてもよい。これにより、犠牲層３８が除去されると、圧電膜１４および上部電極１６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。
【００３７】
［実験］
実施例１に係る圧電薄膜共振器を作製した。作製条件は以下である。
基板１０:シリコン基板
下部電極１２：基板１０側から厚さ７０ｎｍのクロム膜および厚さ１４０ｎｍのルテニウム膜
下部圧電膜１４ａ:厚さが４００ｎｍの窒化アルニウム膜
挿入膜２８ａ：厚さが９０ｎｍの酸化シリコン膜
挿入膜２８ｂ：厚さが８０ｎｍの酸化シリコン膜
上部圧電膜１４ｂ：厚さが４００ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６：圧電膜１４側から厚さが１３０ｎｍのルテニウム膜および厚さが６０ｎｍのクロム膜
保護膜２４：厚さが７０ｎｍの酸化シリコン膜
ルテニウム膜とクロム膜との間に厚さが８０ｎｍのチタン膜を設けた。チタン膜はラダー型フィルタにおける並列共振器に設ける質量付加膜に相当する。
共振領域５０の面積：２００００μｍ２
挿入膜２８ａの幅Ｗ１：２μｍ
挿入膜２８ａの幅Ｗ２：３μｍ
【００３８】
挿入膜２８ａおよび２８ｂとしてスパッタ膜およびＣＶＤ膜の２種類の酸化シリコン膜を検討した。スパッタ膜は、アルゴン（Ａｒ）をスパッタリングガスとするスパッタリング法を用い成膜した。ＣＶＤ膜は、ＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケイト：Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）を原料ガスとするプラズマＣＶＤ法を用い成膜した。
【００３９】
スパッタ膜およびＣＶＤ膜について、ヤング率、アルゴン濃度、ＦＴＩＲ（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）のピークの半値幅（ＦＴＩＲ半値幅）および密度を測定した。また、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）観察を行った。ヤング率の測定方法について説明する。試料となる酸化シリコン膜の表面にレーザ光を照射することで試料表面に表面波を励起する。表面波を検出してフーリエ変換することで、表面波の周波数と位相速度の相関を求める。周波数と位相速度の相関は、ヤング率、密度および膜厚に依存する。密度と膜厚からヤング率を算出した。
【００４０】
アルゴン濃度はＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）法を用い測定した。ＦＴＩＲのピークの半値幅は、ＦＴＩＲスペクトルにおけるＳｉ−Ｏ結合の振動に関するピーク（約１０００ｃｍ−１）の半値幅である。密度は、ＸＲＲ（X-ray Reflectivity）を用い測定した。
【００４１】
表１は測定したヤング率、アルゴン濃度、ＦＴＩＲ半値幅、密度およびＴＥＭ観察を示す表である。
【表１】
2020178187.tif 000003
【００４２】
表１に示すように、スパッタ膜のヤング率はＣＶＤ膜のヤング率より低い。スパッタ膜のアルゴン濃度はＣＶＤ膜のアルゴン濃度より高い。スパッタ膜のＦＴＩＲ半値幅はＣＶＤ膜のＦＴＩＲ半値幅よりやや大きい。密度はスパッタ膜とＣＶＤ膜とでほぼ同じである。
【００４３】
図６（ａ）および図６（ｂ）は、ＣＶＤ膜およびスパッタ膜のＴＥＭ観察の模式図である。図６（ａ）に示すように、ＣＶＤ膜をＴＥＭ観察すると、領域６０のように膜全体が均一の明るさである。図６（ｂ）に示すように、スパッタ膜をＴＥＭ観察すると、領域６０内のところどころに明るさの異なる領域６２が存在する。領域６２の大きさは例えば１０ｎｍである。
【００４４】
スパッタ膜はアルゴン濃度およびＦＴＩＲ半値幅が大きく、ＣＶＤ膜より結晶性が悪いと考えられる。ＴＥＭ観察より、スパッタ膜の結晶は不均一と考えられる。スパッタ膜では結晶性が悪く不均一なためヤング率が低くなると考えられる。
【００４５】
挿入膜２８ａおよび２８ｂとしてスパッタ膜およびＣＶＤ膜を用いサンプルＡ、ＢおよびＣの圧電薄膜共振器を作製した。表２は、各サンプルの挿入膜２８ａ、２８ｂ、共振周波数におけるＱ値Ｑｒ、反共振周波数におけるＱ値Ｑａおよび電気機械結合係数ｋ２を示す表である。
【表２】
2020178187.tif 000004
【００４６】
表２に示すように、挿入膜２８ａおよび２８ｂともにスパッタ膜としたサンプルＡでは、Ｑ値が非常に小さい。またｋ２もやや小さい。挿入膜２８ｂをＣＶＤ膜としたサンプルＢおよびＣではＱ値およびｋ２が大きい。サンプルＢとＣを比較すると、挿入膜２８ａをスパッタ膜としたサンプルＣは挿入膜２８ａをＣＶＤ膜としたサンプルＢより反共振周波数におけるＱ値Ｑａが大きい。
【００４７】
サンプルＡでＱ値が非常に小さいのは挿入膜２８ｂの結晶性が悪いためと考えられる。スパッタ膜とＣＶＤ膜上に圧電膜として窒化アルミニウム膜をスパッタリング法を用い形成しナノビーム回折を用いたＸ線回折法を用い窒化アルミニウム膜の結晶性を測定した。ＣＶＤ膜上の窒化アルミニウム膜では回折スポットが小さく規則的に並んでいる。一方、スパッタ膜上の窒化アルミニウム膜では回折スポットが大きく規則性が悪い。このように、挿入膜２８ｂの膜質が悪いと上部圧電膜１４ｂの膜質が悪くなりＱ値およびｋ２が低下してしまう。
【００４８】
［シミュレーション］
挿入膜２８ａのヤング率を変えＱ値を２次元有限要素法を用いシミュレーションした。図７は、シミュレーションに用いた圧電薄膜共振器の断面図である。図７に示すように、下部電極１２は下層１２ａおよび上層１２ｂを用いた。下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８ａが設けられている。挿入膜２８ｂは設けられていない。共振領域５０の中心５１は鏡面条件とした。共振領域５０の幅をＤ１、共振領域５０内の挿入膜２８ａの幅をＤ２とした。
【００４９】
その他のシミュレーション条件は以下である。
下層１２ａ：厚さが１００ｎｍのクロム膜
上層１２ｂ：厚さが２００ｎｍのルテニウム膜
下部圧電膜１４ａ：厚さが６００ｎｍの窒化アルミニウム膜
挿入膜２８ａ：厚さが１００ｎｍの酸化シリコン膜
上部圧電膜１４ｂ：厚さが６００ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６：厚さが２００ｎｍのルテニウム膜
共振領域５０の幅Ｄ１：４０μｍ
挿入膜２８ａの幅Ｄ２：３μｍ
挿入膜２８ａはヤング率以外は酸化シリコン膜の物性を用いた。
【００５０】
表３は、シミュレーションの結果を示す表である。
【表３】
2020178187.tif 000005
【００５１】
表３に示すように、挿入膜２８ａのヤング率を低くすると反共振周波数におけるＱ値Ｑａが大きくなる。シミュレーション結果から、サンプルＣでＱａが大きい理由は、挿入膜２８ａのヤング率が挿入膜２８ｂのヤング率より低いためと考えられる。
【００５２】
以上の実験およびシミュレーションのように、共振領域５０の中央領域５４に設ける挿入膜２８ｂは結晶性の良好な膜とすることが求められる。結晶性のよい膜はヤング値が高い。一方、共振領域５０の外周領域５２に設ける挿入膜２８ａは結晶が悪くともヤング率の低い膜とする。これにより、Ｑ値等の共振特性を向上できる。挿入膜２８ｂは共振領域５０のほぼ全面に設けるため結晶性のよいＣＶＤ膜とする。挿入膜２８ａを設ける面積は小さいため、挿入膜２８ａの結晶性が悪いスパッタ膜を用いても圧電薄膜共振器の特性の劣化は大きくない。挿入膜２８ａのヤング率が低いため共振特性を向上できる。
【００５３】
［実施例１の変形例１］
図８（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８（ａ）に示すように、挿入膜２８ｂが上部電極１６に挿入されている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００５４】
［実施例１の変形例２］
図８（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８（ｂ）に示すように、挿入膜２８ｂが下部電極１２に挿入されている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００５５】
実施例１の変形例１および２のように、挿入膜２８ｂは、下部電極１２または上部電極１６内に挿入されていてもよい。挿入膜２８ｂは圧電膜１４と上部電極１６との間に挿入されていてもよいし、下部電極１２と圧電膜１４との間に挿入されていてもよい。
【００５６】
挿入膜２８ａは圧電膜１４と上部電極１６との間に挿入されていてもよいし、下部電極１２と圧電膜１４との間に挿入されていてもよい。挿入膜２８ａと２８ｂとは接していてもよいし、離れていてもよい。
【００５７】
［実施例１の変形例３］
図９（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９（ａ）に示すように、基板１０と空隙３０との間に保護膜２６が設けられている。保護膜２６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絶縁膜である。保護膜２６は、例えば挿入損失の低減または２次高調波低減のための膜である。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００５８】
［実施例１の変形例４］
図９（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９（ｂ）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。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００５９】
［実施例１の変形例５］
図１０（ａ）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１０（ａ）に示すように、基板１０上に開口を有する下地層２９が設けられている。下部電極１２は、下地層２９上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０が、下地層２９の開口に形成されている。下地層２９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絶縁膜である。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００６０】
［実施例１の変形例６］
図１０（ｂ）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１０（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低い膜３１ａと音響インピーダンスの高い膜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。
【００６１】
実施例１およびその変形例１から５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６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５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。
【００６２】
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。
【００６３】
実施例１およびその変形例によれば、挿入膜２８ａ（第１挿入膜）は、共振領域５０の中央領域５４に設けられておらず、中央領域５４を囲む少なくとも一部の領域において共振領域５０の外周に沿って中央領域５４を囲むように、下部電極１２と上部電極１６との間に挿入されている。挿入膜２８ｂ（第２挿入膜）は、中央領域５４および挿入膜２８ａが設けられた領域における下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６からなる積層膜１８内に挿入されている。これにより、弾性波が共振領域５０の外側に漏れることを抑制できる。よって、Ｑ値等の共振特性が向上する。
【００６４】
挿入膜２８ｂは圧電膜１４の弾性定数の温度係数の符号と逆の温度係数の符号を有する。これにより、圧電薄膜共振器の特性の温度変化（例えば共振周波数の温度変化）を抑制できる。
【００６５】
さらに、挿入膜２８ｂは挿入膜２８ａのヤング率より高いヤング率を有する。これにより、中央領域５４には、結晶性のよい挿入膜２８ｂを設け、外周領域５２にヤング率の低い挿入膜２８ａが設けられる。よって、Ｑ値等の共振特性を向上できる。挿入膜２８ａのヤング率は挿入膜２８ｂのヤング率の０．９倍以下が好ましい。挿入膜２８ａのＡｒ濃度は挿入膜２８ｂのＡｒ濃度より低いことが好ましく、挿入膜２８ｂのＡｒ濃度の１／２以下がより好ましい。
【００６６】
挿入膜２８ａおよび２８ｂは主成分が同じである。これにより、挿入膜２８ａおよび２８ｂともに弾性定数の温度係数の符号を圧電膜１４の弾性定数の温度係数の符号と反対にできる。
【００６７】
圧電膜１４は酸化アルミニウムを主成分とし、挿入膜２８ａおよび２８ｂは酸化シリコンを主成分とする。これにより、圧電膜１４の弾性定数の符号を負とし、挿入膜２８ａおよび２８ｂの弾性定数の符号を正とできる。よって、共振特性の温度変化を抑制できる。
【００６８】
なお、主成分とは意図的また意図せず含まれる不純物を含むことを許容し、実施例１およびその変形例の効果を奏する程度に含むことである。例えば、圧電膜１４は窒化およびアルミニウムを合計で５０原子％または８０原子％以上含み、挿入膜２８ａおよび２８ｂは酸化およびシリコンを合計で５０原子％以上または８０原子％以上含む。
【００６９】
実施例１およびその変形例３から６のように、挿入膜２８ａと２８ｂとは接している。これにより、製造工程が簡略化できる。
【００７０】
挿入膜２８ａは下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入されている。これにより、共振特性をより向上できる。挿入膜２８ｂは下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入されている。これにより、共振特性の温度変化をより抑制できる。
【００７１】
挿入膜２８ｂは共振領域５０の面積の８０％以上に設けられていることが好ましく、共振領域５０の全てに設けられていることが好ましい。これにより、共振特性の温度変化をより抑制できる。
【００７２】
挿入膜２８ａの幅（共振領域５０の外周の接線に直交する方向の幅）は共振領域５０の幅（例えば楕円の短軸の長さ）に対し１／５以下が好ましく１／１０以下がより好ましい。これにより、共振特性を向上できる。共振領域５０の幅は、弾性波の波長の１０倍以上が好ましい。
【００７３】
挿入膜２８ａはスパッタリング法を用い形成し、挿入膜２８ｂはＣＶＤ法を用い形成する。これにより、共振特性を向上できる。スパッタリング法としては、例えばターゲットをシリコンとしスパッタリングガスをアルゴンガスと酸素ガスとした反応性スパッタリング法でもよい。ターゲットを酸化シリコンとしスパッタリングガスをアルゴンガスとしてもよい。ＣＶＤ法として、減圧ＣＶＤ（Low Pressure CVD）またはプラズマを利用したＣＶＤ（Plasma CVD）を用いてもよい。
【実施例２】
【００７４】
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１１（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図１１（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。
【００７５】
図１１（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１１（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。
【００７６】
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。
【００７７】
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】
【００７８】
１０  基板
１２  下部電極
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
２４、２６  保護膜
２８ａ、２８ｂ  挿入膜
３０  空隙
３１  音響反射膜
４０  送信フィルタ
４２  受信フィルタ
５０  共振領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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