(57)【要約】  工程数を増加させずに、ｋ２が大きく、弾性エネルギーを共振部分に閉じ込めることができ、スプリアス共振が励振せず、または共振周波数の微調整が可能である薄膜圧電弾性波共振器及びそれを用いた高周波フィルタを提供する。振動部（１）の両端に固定部（８）が物理的に接続されており、さらに、振動部（１）と固定部（８）との間に音響絶縁部（１０）及び位相回転部（１１）が物理的に接続されている。音響絶縁部（１０）及び位相回転部（１１）は、振動部（１）と同様に、上部金属膜（３）、圧電薄膜及び下部金属膜で構成され、振動部（１）、音響絶縁部（１０）及び位相回転部（１１）の上面、下面、及び側面には弾性波反射器（６）が設けられている。振動部（１）の幅は長さ（Ｌａ）よりも小さく、また厚さよりも小さく、幅／厚さは１よりも小さい。
2010101026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一部を挟んで存在する一対の上部金属膜及び下部金属膜とからなる積層構造の振動部を含む薄膜圧電弾性波共振器であって、
前記振動部は、前記振動部の厚さ方向に直交する面内で、第１方向に沿った第１寸法を有し、前記第１方向と直交する第２方向に沿った第２寸法を有し、前記第１寸法が前記第２寸法よりも小さく、かつ、前記第１寸法が前記振動部の厚さ方向に沿った第３寸法よりも小さく、
前記振動部の上面、下面、及び側面にそれぞれ弾性波反射器を備え、前記振動部の前記第２方向の一端に前記圧電薄膜と同一膜を主成分とする第１固定部を備え、前記振動部の前記第２方向の他の一端に前記圧電薄膜と同一膜を主成分とする第２固定部とを備えていることを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、前記第１寸法／前記第３寸法は、０．１から１．０５であることを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項３】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、前記第１寸法／前記第３寸法は、０．２から０．９であることを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項４】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、前記第１寸法／前記第３寸法は、０．３から０．８８であることを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項５】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、前記弾性波反射器は気体または真空であることを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項６】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、前記圧電薄膜は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、五酸化タンタル、チタン酸鉛またはチタン酸バリウムからなることを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項７】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、前記上部金属膜及び前記下部金属膜は、アルミニウム、銅、白金、ルテニウム、モリブデン、タングステンまたは金からなることを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項８】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、
前記振動部の前記第２方向の一端と前記第１固定部との間に第１音響絶縁部が物理的に接続され、前記振動部の前記第２方向の他の一端と前記第２固定部との間に第２音響絶縁部が物理的に接続されており、
前記第１及び第２音響絶縁部は、前記上部金属膜、前記圧電薄膜及び前記下部金属膜を積層した構成であり、前記第１及び第２音響絶縁部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記第１及び第２音響絶縁部の前記第１方向に沿った第４寸法が、前記振動部の前記第１方向に沿った前記第１寸法よりも大きいことを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項９】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、
前記振動部の前記第２方向の一端と前記第１固定部との間に第１音響絶縁部が物理的に接続され、前記振動部の前記第２方向の他の一端と前記第２固定部との間に第２音響絶縁部が物理的に接続されており、
前記第１音響絶縁部は、前記上部金属膜及び前記圧電薄膜を積層した構成であり、前記第１音響絶縁部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記第２音響絶縁部は、前記圧電薄膜及び前記下部金属膜を積層した構成であり、前記第２音響絶縁部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記第１及び第２音響絶縁部の前記第１方向に沿った第４寸法が、前記振動部の前記第１方向に沿った前記第１寸法よりも大きいことを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項１０】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、
前記振動部と前記第１固定部との間に第１位相回転部が物理的に接続され、前記振動部と前記第２固定部との間に第２位相回転部が物理的に接続されており、
前記第１及び第２位相回転部は、前記上部金属膜、前記圧電薄膜及び前記下部金属膜を積層した構成であり、前記第１及び第２位相回転部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記第１及び第２位相回転部の前記第１方向に沿った第５寸法が、前記振動部の前記第１方向に沿った前記第１寸法よりも小さいことを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項１１】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、
前記振動部と前記第１固定部との間に第１位相回転部が物理的に接続され、前記振動部と前記第２固定部との間に第２位相回転部が物理的に接続されており、
前記第１位相回転部は、前記上部金属膜及び前記圧電薄膜を積層した構成であり、前記第１位相回転部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記第２位相回転部は、前記圧電薄膜及び前記下部金属膜を積層した構成であり、前記第２位相回転部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記第１及び第２位相回転部の前記第１方向に沿った第５寸法が、前記振動部の前記第１方向に沿った前記第１寸法よりも大きいことを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項１２】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、
前記振動部の前記第２方向の一端と前記第１固定部との間に第１音響絶縁部が物理的に接続され、前記振動部の前記第２方向の他の一端と前記第２固定部との間に第２音響絶縁部が物理的に接続されており、
前記第１及び第２音響絶縁部は、前記上部金属膜、前記圧電薄膜及び前記下部金属膜を積層した構成であり、前記第１及び第２音響絶縁部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記振動部と前記第１音響絶縁部との間に第１位相回転部が物理的に接続され、前記振動部と前記第２音響絶縁部との間に第２位相回転部が物理的に接続されており、
前記第１位相回転部は、前記上部金属膜及び前記圧電薄膜を積層した構成であり、前記第１位相回転部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記第２位相回転部は、前記圧電薄膜及び前記下部金属膜を積層した構成であり、前記第２位相回転部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記第１及び第２音響絶縁部の前記第１方向に沿った第４寸法が、前記振動部の前記第１方向に沿った前記第１寸法よりも大きく、
前記第１及び第２位相回転部の前記第１方向に沿った第５寸法が、前記振動部の前記第１方向に沿った前記第１寸法よりも大きいことを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項１３】
請求項１記載の薄膜圧電弾性波共振器において、
前記振動部の前記第２方向の一端と前記第１固定部との間に第１音響絶縁部が物理的に接続され、前記振動部の前記第２方向の他の一端と前記第２固定部との間に第２音響絶縁部が物理的に接続されており、
前記第１音響絶縁部は、前記上部金属膜及び前記圧電薄膜を積層した構成であり、前記第１音響絶縁部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記第２音響絶縁部は、前記圧電薄膜及び前記下部金属膜を積層した構成であり、前記第２音響絶縁部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記振動部と前記第１音響絶縁部との間に第１位相回転部が物理的に接続され、前記振動部と前記第２音響絶縁部との間に第２位相回転部が物理的に接続されており、
前記第１及び第２位相回転部は、前記上部金属膜、前記圧電薄膜及び前記下部金属膜を積層した構成であり、前記第１及び第２位相回転部の上面、下面、及び側面にそれぞれ前記弾性波反射器を備え、
前記第１及び第２音響絶縁部の前記第１方向に沿った第４寸法が、前記振動部の前記第１方向に沿った前記第１寸法よりも大きく、
前記第１及び第２位相回転部の前記第１方向に沿った第５寸法が、前記振動部の前記第１方向に沿った前記第１寸法よりも小さいことを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項１４】
請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の薄膜圧電弾性波共振器において、前記第１及び第２位相回転部の固有共振周波数が前記振動部の固有共振周波数の１倍より大きく、１．０５倍よりも小さいことを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項１５】
圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一部を挟んで存在する一対の上部金属膜及び下部金属膜とからなる積層構造の振動部を含む薄膜圧電弾性波共振器であって、
前記振動部は、前記振動部の厚さ方向に直交する面内で、第１方向に沿った第１寸法を有し、前記第１方向と直交する第２方向に沿った第２寸法を有し、前記第１寸法が前記第２寸法よりも小さく、かつ、前記第１寸法が前記振動部の厚さ方向に沿った第３寸法よりも小さく、
前記振動部の上面、下面、及び側面にそれぞれ弾性波反射器を備え、前記振動部の前記第２方向の一端に前記圧電薄膜と同一膜を主成分とする第１固定部を備え、前記振動部の前記第２方向の他の一端に前記圧電薄膜と同一膜を主成分とする第２固定部とを備えており、
前記振動部の上面及び側面に設けられた前記弾性波反射器は気体または真空であり、前記振動部の下面に設けられた前記弾性波反射器は絶縁基板であることを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項１６】
請求項１５記載の薄膜圧電弾性波共振器において、複数の前記振動部が前記第１方向に所定の間隔を設けて前記絶縁基板上に配置されており、隣接する２つの中心間距離をＰ、前記振動部の固有共振周波数をｆ０、前記絶縁基板の弾性定数をＣｉｊ、密度をｐとすると、前記中心間距離Ｐは、Ｐ＜（ｆ０×（Ｃｉｊ／ｐ）１／２）／２に設定されることを特徴とする薄膜圧電弾性波共振器。
【請求項１７】
入力端子と、出力端子と、前記入力端子と前記出力端子との間に複数の薄膜圧電弾性波共振器が所定の間隔を設けて並列腕または直列腕に電気的に接続された高周波フィルタであって、
前記薄膜圧電弾性波共振器は、圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一部を挟んで存在する一対の上部金属膜及び下部金属膜とからなる積層構造の振動部を含み、
前記振動部は、前記振動部の厚さ方向に直交する面内で、第１方向に沿った第１寸法を有し、前記第１方向と直交する第２方向に沿った第２寸法を有し、前記第１寸法が前記第２寸法よりも小さく、かつ、前記第１寸法が前記振動部の厚さ方向に沿った第３寸法よりも小さく、
前記振動部の上面、下面、及び側面にそれぞれ弾性波反射器を備え、前記振動部の前記第２方向の一端に前記圧電薄膜と同一膜を主成分とする第１固定部を備え、前記振動部の前記第２方向の他の一端に前記圧電薄膜と同一膜を主成分とする第２固定部とを備えていることを特徴とする高周波フィルタ。
【請求項１８】
請求項１７記載の高周波フィルタにおいて、複数の前記薄膜圧電弾性波共振器のうち、少なくとも１つの前記薄膜圧電弾性波共振器が備える前記振動部の前記第１方向の前記第１寸法が、他の前記薄膜圧電弾性波共振器が備える前記振動部の前記第１方向の前記第１寸法と異なる値に設定されていることを特徴とする高周波フィルタ。
【請求項１９】
入力端子と、出力端子と、前記入力端子と前記出力端子との間に直列腕に電気的に接続された第１薄膜圧電弾性波共振器及び並列腕に電気的に接続された第２薄膜圧電弾性波共振器とから構成される高周波フィルタであって、
前記第１及び第２薄膜圧電弾性波共振器は、圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一部を挟んで存在する一対の上部金属膜及び下部金属膜とからなる積層構造の振動部を含み、
前記振動部は、前記振動部の厚さ方向に直交する面内で、第１方向に沿った第１寸法を有し、前記第１方向と直交する第２方向に沿った第２寸法を有し、前記第１寸法が前記第２寸法よりも小さく、かつ、前記第１寸法が前記振動部の厚さ方向に沿った第３寸法よりも小さく、
前記振動部の上面、下面、及び側面にそれぞれ弾性波反射器を備え、前記振動部の前記第２方向の一端に前記圧電薄膜と同一膜を主成分とする第１固定部を備え、前記振動部の前記第２方向の他の一端に前記圧電薄膜と同一膜を主成分とする第２固定部とを備えていることを特徴とする高周波フィルタ。
【請求項２０】
請求項１９記載の高周波フィルタにおいて、前記第１薄膜圧電弾性波共振器が備える前記振動部の前記第１方向の前記第１寸法が、前記第２薄膜圧電弾性波共振器が備える前記振動部の前記第１方向の前記第１寸法よりも小さいことを特徴とする高周波フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜圧電体の圧電効果または反圧電効果を用い、かつ、弾性波の共振現象を利用した高周波共振器（以下、薄膜圧電弾性波共振器と略す）、及びその薄膜圧電弾性波共振器を用いた高周波フィルタに適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波フィルタに適した弾性波共振器として、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic wave Resonator）及びＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）がある。【０００３】
例えば特開２００２−３３５１４１号公報（特許文献１）には、上部電極の上にこの上部電極を覆う負荷層を形成することで、同一絶縁基板上に共振周波数の異なる共振器を組み立てることのできるＦＢＡＲ型の薄膜バルク音響共振器が開示されている。【０００４】
また、国際特許公開ＷＯ  ０１／０６６４７号パンフレット（特許文献２）には、上部電極の周囲に負荷層を形成することで、ピストンモードで振動するＳＭＲ型の薄膜バルク音響共振器が開示されている。【０００５】
また、特開２００７−２９５３１０号公報（特許文献３）には、圧電変換部の圧電変換要素部を、長手方向が下部電極の厚さ方向と一致する円柱状に形成して、下部電極上に２次元アレイ状に配置したＢＡＷ共振器が開示されている。【０００６】
また、R. Aigner、他７名、「Bulk-Acoustic Wave Filters: Performance Optimization and Volume Manufacturing」、IEEE MTT-S Digest、２００３年、ｐ．２００１−２００４（非特許文献１）には、共振周波数の異なる共振器を製作するために、表面電極層の上に補助の金属層を追加して共振周波数をシフトさせたＳＭＲタイプの薄膜バルク音響フィルタが記載されている。【０００７】
また、L. Wang、他５名、「Method of Fabricating Multiple-frequency Film Bulk Acoustic Resonators in a Single Chip」、IEEE Frequency Control Symposium Digest、２００６年、ｐ．１７９（非特許文献２）には、１つのチップ上に共振周波数の異なる複数のＦＢＡＲタイプの共振器を製作するために、表面電極層の上に追加の調整層を設け、調整層の幅やピッチの調整パターンを制御することにより、共振周波数の調整を可能にした技術が述べられている。【０００８】
また、R. Ruby、「Review and Comparison of Bulk Acoustic Wave FBAR, SMR Technology 」、IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings、２００７年、ｐ．１０２９−１０４０（非特許文献３）には、弾性波共振器の電気機械結合係数（ｋ２）について詳細に議論されている。【０００９】
また、A. N. Cleland、他２名、「Single-crystal aluminum nitride nanomechanical resonators」、Appl. Phys. Lett.、Ｖｏｌ．７９、２００１年、ｐ．２０７０−２０７２（非特許文献４）には、単結晶ＡｌＮ膜を用いたＦｌｅｘｕｒａｌ共振器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−３３５１４１号公報
【特許文献２】国際特許公開ＷＯ  ０１／０６６４７号パンフレット
【特許文献３】特開２００７−２９５３１０号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】R. Aigner、J. Kaitila、J. Ella、L. Elbrecht、W. Nessler、M. Handtmann、T. Herzog、及びS. Marksteiner、「Bulk-Acoustic Wave Filters: Performance Optimization and Volume Manufacturing」、IEEE MTT-S Digest、２００３年、ｐ．２００１−２００４
【非特許文献２】L. Wang、E. Ginsburg、D. Diamant、Q. Ma、Z. Huang、及びZ. Suo、「Method of Fabricating Multiple-frequency Film Bulk Acoustic Resonators in a Single Chip」、IEEE Frequency Control Symposium Digest、２００６年、ｐ．１７９
【非特許文献３】R. Ruby、「Review and Comparison of Bulk Acoustic Wave FBAR, SMR Technology 」、IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings、２００７年、ｐ．１０２９−１０４０
【非特許文献４】A. N. Cleland、M. Pophristic、及びI. Ferguson、「Single-crystal aluminum nitride nanomechanical resonators」、Appl. Phys. Lett.、Ｖｏｌ．７９、２００１年、ｐ．２０７０−２０７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一般に、高周波フィルタに適した共振周波数が１０ＭＨｚ以上の弾性波共振器は、厚さに対して充分大きいサイズの面（メンブレン）構造（共振部分のＸＹＺ軸方向のうち、厚さ方向（Ｚ軸方向）を除く二方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）が充分大きい構造）を有する圧電薄膜と、上記圧電薄膜の一部を挟んで存在する第１金属薄膜と第２金属薄膜とで構成される振動部（共振部）と、音響反射器とを具備している。第１金属薄膜は上部電極（上部金属膜）として、第２金属薄膜は下部電極（下部金属膜）として機能する。圧電薄膜は厚さ方向に分極している。上部電極と下部電極との間に印加した交流電圧により発生する交流電界が、圧電効果または反圧電効果により、圧電薄膜の厚さ方向の伸縮成分を有する振動を引き起こす。振動部が面構造をなしているため、面内方向の伸縮成分を有する振動は発生しない、またはスプリアス成分として発生する程度である。【００１３】
上部金属膜、圧電薄膜及び下部金属膜で構成される振動部は、その上下を音響反射器で挟まれている。固体と気体または真空との界面は、効率のよい音響反射面として機能する。ＦＢＡＲでは、共振器の上下を気体または真空とし、気体または真空を音響反射器としている。ＳＭＲでは、上部金属膜の上に気体または真空を、下部金属膜の下にブラッグ反射器を設置する。面内方向の伸縮成分を有する振動は理想的には発生しないため、圧電薄膜で発生した弾性波は共振器内部に閉じ込められる。【００１４】
励振される弾性波は、その半波長が上部金属膜の膜厚と圧電薄膜の膜厚と下部金属膜の膜厚との和と一致するときに共振する。共振周波数は、弾性波の音速と波長（上部金属膜の膜厚と圧電薄膜の膜厚と下部金属膜の膜厚との和の２倍）の比である。【００１５】
しかしながら、上記特許文献１、２または上記非特許文献１、２に開示された高周波用の弾性波共振器については、以下に説明する種々の技術的課題が存在する。【００１６】
＜課題１＞
非特許文献３において、特許文献１、２または非特許文献１、２に開示された弾性波共振器のｋ２（電気機械結合係数）が詳細に議論されている。非特許文献３によると、電極材料に重い金属を用いることによりｋ２を大きくすることができ、ＦＢＡＲ型のｋ２の方がＳＭＲ型のｋ２よりも大きいことが開示されている。さらに、ｋ２が大きいほど高周波フィルタの電気特性は良くなるが、電極材料に重い金属を用いても、特許文献１、２または非特許文献１、２に開示された高周波用の弾性波共振器であるＦＢＡＲやＳＭＲは高々６．５〜７％であることも開示されている。このため、さらに電気特性の良い高周波フィルタを実現するには、さらに大きいｋ２を有する共振器を用いることが必要であるが、ＦＢＡＲ及びＳＭＲでは、さらなる高周波フィルタの電気特性の向上が望めない。【００１７】
＜課題２＞
特許文献１または非特許文献１、２に開示された高周波用の弾性波共振器では、特許文献２に記載された現象、つまり面内方向の伸縮成分を有するスプリアス振動が微小に発生し、振動部（上部金属膜と圧電薄膜と下部金属膜とからなる三層構造を有し、かつ、その三層構造の上下部に音響反射器を有する部分）から圧電薄膜を伝わって弾性エネルギーが漏洩する現象が発生する。このため共振器のＱ値が劣化し、またフィルタの損失が増加する。【００１８】
なお、特許文献２では振動部に弾性エネルギーを閉じ込める方法が開示されているが、ＦＢＡＲ型の共振器では新たな膜の付加または複雑な加工が必要となり、製造コストが高くなる。一方、ＳＭＲ型の共振器では、上下電極に接続する電気線からの弾性エネルギーの漏洩を考慮していないため、実際の共振器やフィルタでは弾性エネルギーを閉じ込めることはできない。または複雑な加工が必要となり、製造コストが高くなる。【００１９】
＜課題３＞
特許文献１または非特許文献１、２に開示された高周波用の弾性波共振器では、特許文献２に記載された現象、つまり基本波以外にラム波も励振するため、スプリアス共振が発生する現象が発生する。このため共振器のＱ値が劣化し、またフィルタの損失が増加する。【００２０】
なお、特許文献２ではラム波の励振を抑圧するピストンモードの励振方法が開示されているが、新たな膜の付加または複雑な加工が必要となり、製造コストが高くなる。【００２１】
＜課題４＞
ラダー型に代表される弾性波共振器を用いたフィルタでは、直列腕共振器の共振周波数を並列腕共振器の共振周波数より高めることにより、帯域通過型フィルタを実現させている。このため異なる共振周波数を有する弾性波共振器を同一基板上に形成する必要がある。【００２２】
共振周波数は膜厚で制御されるため、異なる共振周波数を有する一対の弾性波共振器を同一基板上に形成するためには、特許文献１または非特許文献１で開示されているように、双方の共振器に上部金属膜を形成した後、一方の共振器の上部金属膜はそのままとし、他方の共振器の上部金属膜上に新たに負荷膜を付加する必要がある。このため、工程数が増える欠点があり、これは製造コストの上昇を生じてさせてしまう。【００２３】
また、特許文献１または非特許文献１では、負荷膜の膜厚が周波数差を決定するため、きわめて高い膜厚精度が必要になる。このため、高価な成膜装置が必要となり、製造コストを上昇させてしまう。【００２４】
なお、非特許文献２によると、調整層の幅やピッチをパターニング工程で制御することにより、共振周波数の調整が可能となる。しかし、特許文献１または非特許文献１で開示されている手法と同じように、上部金属膜の上に新たに膜を付加する必要があり、特許文献１または非特許文献１の方法と工程数は変わらない。そのため製造コストが上昇する。【００２５】
本発明の第１の目的は、工程数を増加させずに、ｋ２の大きい薄膜圧電弾性波共振器及びそれを用いた高周波フィルタを提供することにある。【００２６】
本発明の第２の目的は、工程数を増加させずに、弾性エネルギーを共振部分に閉じ込める薄膜圧電弾性波共振器及びそれを用いた高周波フィルタを提供することにある。【００２７】
本発明の第３の目的は、工程数を増加させずに、スプリアス共振を励振しない薄膜圧電弾性波共振器及びそれを用いた高周波フィルタを提供することにある。【００２８】
本発明の第４の目的は、工程数を増加させずに、共振周波数の微調整を可能にする薄膜圧電弾性波共振器及びそれを用いた高周波フィルタを提供することにある。【００２９】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態を簡単に説明すれば、次のとおりである。【００３１】
この実施の形態は、圧電薄膜と、圧電薄膜の一部を挟んで存在する一対の上部金属膜及び下部金属膜とからなる積層構造の振動部を含む薄膜圧電弾性波共振器である。振動部は、振動部の厚さ方向に直交する面内で、第１方向に沿った第１寸法を有し、第１方向と直交する第２方向に沿った第２寸法を有し、第１寸法が第２寸法よりも小さく、かつ、第１寸法が振動部の厚さ方向に沿った第３寸法よりも小さく、振動部の上面、下面、及び側面にそれぞれ弾性波反射器を備え、振動部の第２方向の一端に圧電薄膜と同一膜を主成分とする第１固定部を備え、振動部の第２方向の他の一端に圧電薄膜と同一膜を主成分とする第２固定部とを備えている。【００３２】
また、この実施の形態は、入力端子と、出力端子と、前記入力端子と前記出力端子との間に複数の薄膜圧電弾性波共振器が所定の間隔を設けて並列腕または直列腕に電気的に接続された高周波フィルタである。薄膜圧電弾性波共振器は、圧電薄膜と、圧電薄膜の一部を挟んで存在する一対の上部金属膜及び下部金属膜とからなる積層構造の振動部を含み、振動部は、振動部の厚さ方向に直交する面内で、第１方向に沿った第１寸法を有し、第１方向と直交する第２方向に沿った第２寸法を有し、第１寸法が第２寸法よりも小さく、かつ、第１寸法が振動部の厚さ方向に沿った第３寸法よりも小さく、振動部の上面、下面、及び側面にそれぞれ弾性波反射器を備え、振動部の第２方向の一端に圧電薄膜と同一膜を主成分とする第１固定部を備え、振動部の第２方向の他の一端に圧電薄膜と同一膜を主成分とする第２固定部とを備えている。
【発明の効果】
【００３３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。【００３４】
工程数を増加させずに、ｋ２が大きく、弾性エネルギーを共振部分に閉じ込めることができ、スプリアス共振が励振せず、または共振周波数の微調整が可能である薄膜圧電弾性波共振器及びそれを用いた高周波フィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１によるビーム型共振器の上面模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１によるビーム型共振器の振動部の斜視模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１による素子のｋ２とＷ／ｈとの関係を示すグラフ図である。
【図６】本発明の実施の形態２によるビーム型共振器の上面模式図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図８】図６のＤ−Ｄ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図９】本発明の実施の形態２による素子のＴＷＥモードの分散曲線を示すグラフ図である。
【図１０】本発明の実施の形態２による素子のＴＷＥモードのｆｄ、ｆｂ及びｆｔとＷ／ｈとの関係を示すグラフ図である。
【図１１】本発明の実施の形態３によるビーム型共振器の上面模式図である。
【図１２】図１１のＥ−Ｅ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図１３】図１１のＦ−Ｆ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図１４】本発明の実施の形態３による素子のＴＷＥモードのｆｄ、ｆｂ及びｆｔとＷ／ｈとの関係を示すグラフ図である。
【図１５】本発明の実施の形態４によるビーム型共振器の上面模式図である。
【図１６】図１５のＧ−Ｇ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図１７】図１５のＨ−Ｈ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態４による素子のＴＷＥモードのｆｄ、ｆｂ及びｆｔとＷ／ｈとの関係を示すグラフ図である。
【図１９】本発明の実施の形態４による素子のインピーダンスの周波数特性を示すグラフ図である。
【図２０】本発明の実施の形態４による素子において、位相回転部の幅を振動部の幅と一致させたビーム型共振器のインピーダンスの周波数特性を示すグラフ図である。
【図２１】本発明の実施の形態５によるビーム型共振器の上面模式図である。
【図２２】図２１のＩ−Ｉ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図２３】図２１のＪ−Ｊ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図２４】本発明の実施の形態５による素子のＴＷＥモードのｆｄ、ｆｂ及びｆｔとＷ／ｈとの関係を示すグラフ図である。
【図２５】本発明の実施の形態６によるビーム型共振器の上面模式図である。
【図２６】図２５のＫ−Ｋ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図２７】図２５のＬ−Ｌ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図２８】本発明の実施の形態６による素子のインピーダンスの周波数特性を示すグラフ図である。
【図２９】本発明の実施の形態７によるビーム型共振器の上面模式図である。
【図３０】図２９のＭ−Ｍ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図３１】図２９のＮ−Ｎ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図３２】本発明の実施の形態７による素子のインピーダンスの周波数特性を示すグラフ図である。
【図３３】本発明の実施の形態８によるビーム型共振器の上面模式図である。
【図３４】本発明の実施の形態９によるビーム型共振器の上面模式図である。
【図３５】本発明の実施の形態９による素子のインピーダンスの周波数特性を示すグラフ図である。
【図３６】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本発明の実施の形態１０によるビーム型共振器群の第１例の上面模式図及び第２例の上面模式図である。
【図３７】本発明の実施の形態１１によるハイパスフィルタの等価回路図である。
【図３８】本発明の実施の形態１１によるローパスフィルタの周波数特性図である。
【図３９】本発明の実施の形態１１によるローパスフィルタの周波数特性図である。
【図４０】本発明の実施の形態１１によるビーム型共振器の直列共振周波数及び並列共振周波数とＷ／ｈとの関係を示すグラフ図である。
【図４１】本発明の実施の形態１１によるローパスフィルタの等価回路図である。
【図４２】本発明の実施の形態１１によるローパスフィルタの周波数特性図である。
【図４３】本発明の実施の形態１１によるローパスフィルタの周波数特性図である。
【図４４】本発明の実施の形態１１によるバンドパスフィルタの等価回路図である。
【図４５】本発明の実施の形態１１によるバンドパスフィルタの周波数特性図である。
【図４６】本発明の実施の形態１２によるビーム型共振器の上面模式図である。
【図４７】図４６のＯ−Ｏ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図４８】図４６のＰ領域の上面模式図である。
【図４９】本発明の実施の形態１２によるＴＷＥモード及びスプリアスモードの共振周波数のＷ／ｈ依存性を示したグラフ図である。
【図５０】本発明の実施の形態１３であるビーム型共振器の上面模式図である。
【図５１】図５０のＱ−Ｑ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図５２】図５０のＲ−Ｒ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【図５３】本発明の実施の形態１４による高周波デバイスの上面模式図である。
【図５４】本発明の実施の形態１４による高周波デバイスの等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００３７】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値及び範囲についても同様である。
【００３８】
また、ＦＢＡＲ型またはＳＭＲ型の共振器は、いずれも平面波（バルク波）を利用した共振器であるが、以下の実施の形態で説明する薄膜圧電弾性波共振器は１次元構造（ビーム構造）を伝搬する非平面波(非バルク波)であることから、以下の実施の形態で説明する薄膜圧電弾性波共振器を、ＦＢＡＲ型共振器やＳＭＲ型共振器とは異なる共振器であることを明確にするため、ビーム型共振器と記す。
【００３９】
また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４０】
（実施の形態１）
本実施の形態１によるビーム型共振器を図１〜図３を用いて説明する。図１はビーム型共振器の上面模式図、図２は図１のＡ−Ａ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図、図３は図１のＢ−Ｂ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【００４１】
図１〜図３に示すように、ビーム型共振器は絶縁基板２上に形成されている。このビーム型共振器の振動部１は、圧電薄膜５（膜厚ｈｐ）と、この圧電薄膜５の一部を挟んで存在する一対の上部金属膜（上部電極）３（膜厚ｈｄ）及び下部金属膜（下部電極）４（膜厚ｈｕ）とを含む積層構造（厚さｈａ）を有している。厚さｈａは、例えば１〜２μｍ程度である。振動部１の上面は上部弾性波反射器（上部音響反射器）７で囲まれ、下面は下部弾性波反射器（下部音響反射器）６で囲まれ、側面は側部弾性波反射器（側部音響反射器）１２で囲まれている。
【００４２】
本実施の形態１では、上部金属膜３及び下部金属膜４は共に成膜装置で形成されたアルミニウム膜で構成されており、また圧電薄膜５は成膜装置で形成され、窒化アルミニウム膜で構成されている。上部金属膜３及び下部金属膜４として、アルミニウム膜に代えて、他の導電材料、例えば銅、白金、ルテニウム、モリブデン、タングステンまたは金などの導電性を有する物質で構成される薄膜を用いても良いことはいうまでもない。同様に、圧電薄膜５として、窒化アルミニウム膜に代えて、他の圧電材料、例えば酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、五酸化タンタル、チタン酸鉛またはチタン酸バリウムなどの圧電性を有する物質で構成される薄膜を用いても良いことはいうまでもない。
【００４３】
なお、本実施の形態１で述べる成膜装置とは、スパッタ装置、蒸着装置またはＣＶＤ装置に代表される装置であって、分子、原子、イオンまたはそれらのクラスタを基板上に直接積層させることにより、あるいは化学反応を伴って積層させることにより、薄膜を作成する装置である。また、本実施の形態１で述べる薄膜とは、この成膜装置で作成した膜であり、これ以外の、焼結により作成した焼結体、あるいは水熱合成法またはチョコラルスキー法などで形成されたバルク体は、厚さにかかわらず、含まれない。
【００４４】
圧電薄膜５に電界を印加するため、振動部１では上部金属膜３は圧電薄膜５を挟んで相対応する下部金属膜４とほぼ向かい合っている。しかし、上部金属膜３と下部金属膜４とは、周辺部に設けられた引き出し線の位置や形状が異なるため平面形状は必ずしも一致していない。本実施の形態１では、Ｙ軸方向に関しては、平面形状において上部金属膜３と下部金属膜４とが相対向する範囲を、Ｘ軸方向に関しては、圧電薄膜５が存在する範囲を、Ｚ軸方向に関しては、上部弾性波反射器７の下面から下部弾性波反射器６の上面までの領域を振動部１とする。
【００４５】
振動部１のＸ軸方向の第１寸法（幅Ｗａ）はＺ軸方向の第３寸法（厚さｈａ）より小さく設定されている。一方、振動部１のＹ軸方向の第２寸法（長さＬａ）はＺ軸方向の第３寸法（厚さｈａ）より大きく設定されている。幅Ｗａは、例えば０．６μｍ程度であり、長さＬａは、例えば１００μｍ程度である。そのため振動部１の構造がビーム状（共振部分のＸＹＺ軸方向の一方向のみが充分長い構造）であり、この点が面構造をなしている従来のＦＢＡＲの振動部の構造と異なる。
【００４６】
振動部１は、プラスＹ軸方向の端部及びマイナスＹ軸方向の端部に、間接的に、圧電薄膜５からなる固定部８が物理的に接続されている。固定部８は、上部金属膜３または下部金属膜４を含めて構成してもよく、また他の付加膜があっても良い。固定部８の下方向（マイナスＺ軸方向）には下部弾性波反射器６を有さない。固定部８は、マイナスＹ軸方向では下部金属膜４を介して絶縁基板２と物理的に接続され、プラスＹ軸方向では絶縁基板２と直接物理的に接続されている。
【００４７】
絶縁基板２は振動部１より充分に大きいため振動しない。振動部１の振動が絶縁基板２に流入する場合があるが、その場合でも絶縁基板２全体に拡散するため、絶縁基板２の振幅は振動部１の振幅より充分小さい。
【００４８】
固定部８は、振動部１の主たる振動媒体である圧電薄膜５で形成されている。そのため固定部８の振動部１側の面（図２では固定部８の振動部１側の断面）の振動は絶縁基板２に漏洩する。また、絶縁基板２は固定部８または振動部１より充分大きいので、固定部８は実質的に機械的な固定部分として機能する。
【００４９】
上部金属膜３と下部金属膜４との間に交流電気信号を印加すると、圧電薄膜５の内部のＺ軸方向に交流電界が生じ、圧電薄膜５はＺ軸方向及びＸ軸方向に伸縮する。そのため振動部１は振動する。Ｚ軸方向の振動及びＸ軸方向の振動は、位相が１８０度ずれる。以下、この振動モードをＴＷＥモード（Thickness-Width Extensional mode）と呼ぶ。
【００５０】
振動部１のＹ軸方向の振動は、主振動とは無関係な振動であるため、ＴＷＥモードのｋ２の低下を招く。またＴＷＥモードとは異なる周波数で共振するため、共振器の電気特性上ではスプリアス共振になる。本実施の形態１では、振動部１は、プラスＹ軸方向及びマイナスＹ軸方法の両方向の固定部８ではさまれているため、Ｙ軸方向には伸縮しない。また振動部１のＹ軸方向の振動は、Ｚ軸方向の振動やＸ軸方向の振動とは周波数が大きく異なるため、Ｚ軸方向の振動やＸ軸方向の振動とは結合しない。
【００５１】
Ｗａ／ｈａ＜１．０５とすることにより、Ｚ軸方向の振動とＸ軸方向の振動とは結合し、同一周波数で共振する。この場合、圧電薄膜５の２個の圧電定数ｅ３３と圧電定数ｅ３１の効果が相乗するため、Ｚ軸方向にのみ伸縮するＦＢＡＲ振動（ＦＢＡＲ：圧電定数ｅ３３のみで振動）またはＸ軸方向のみに伸縮する横振動（圧電定数ｅ３１のみで振動）より大きいｋ２を有する。
【００５２】
ｋ２が最も大きくなる最適な幅Ｗａと厚さｈａとの比は、振動部１の圧電定数ｅ３１と圧電定数ｅ３３との比の絶対値（｜ｅ３１／ｅ３３｜）、及び弾性定数Ｃ１１と弾性定数Ｃ３３との比（Ｃ１１／Ｃ３３）に依存する。窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、五酸化タンタル、チタン酸鉛またはチタン酸バリウムなどの薄膜で圧電材料を構成した場合は、後に説明するように、Ｗａ／ｈａ＝０．６とすることにより、最もｋ２を大きくすることができる。
【００５３】
有限要素法を用いて、本実施の形態１によるビーム型共振器の共振特性を詳細に調べた。図４は計算に用いたモデルを説明するための模式図である。圧電薄膜５はＸ軸方向の幅Ｗ、Ｚ軸方向の厚さｈ（１μｍ）、Ｙ軸方向の長さＬの直方体としている。またＹ軸方向の両端面は、固定部８の振動部１側の面として機械的な固定面９としている。
【００５４】
図５は、本実施の形態１によるビーム型共振器のｋ２とＷ／ｈとの関係を示したグラフ図である。圧電薄膜５としてｃ軸配向した窒化アルミニウム膜を用いた。ここでは分かりやすくするため、上部金属膜３及び下部金属膜４の厚さは無視し、また長さＬは厚さｈより充分長い（無限長）とした。固定面９も無限遠方となるが、振動部１は固定面９と接しているため、Ｙ軸方向の振動は発生しない。またｋ２は、直列共振周波数ｆｓ及び並列共振周波数ｆｐから、縦振動の場合の定義式、つまり
ｋ２＝π／２×（ｆｓ／ｆｐ）×ｔａｎ｛π／２×（ｆｐ−ｆｓ）／ｆｐ｝
を用いて算出した。比較のため、Ｚ軸方向のみに振動した場合のｋ２（ＦＢＡＲのｋ２）及びＸ軸方向のみに振動した場合のｋ２（幅振動のｋ２）を記した。
【００５５】
図５から、Ｗ／ｈを１．０５より小さくすることで、ＦＢＡＲより大きいｋ２が得られることが分かる。また、全てのＷ／ｈで幅振動より大きいｋ２が得られる。図５から、Ｗ／ｈは、例えば０．１から１．０５が適切な範囲と考えられる（他の条件によってはこの範囲に限定されないことはもとよりである）。また、量産に適した範囲としては０．２から０．９が考えられるが、さらに０．３から０．８８等の０．６を中心値とする周辺範囲が最も好適と考えられる。
【００５６】
このように、本実施の形態１によれば、振動部１の幅Ｗａと厚さｈａとの比（Ｗａ／ｈａ）を１．０５より小さくすることで、ＦＢＡＲより大きいｋ２を有するビーム型共振器を提供することができる。
【００５７】
（実施の形態２）
本実施の形態２によるビーム型共振器を図６〜図８を用いて説明する。図６はビーム型共振器の上面模式図、図７は図６のＣ−Ｃ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図、図８は図６のＤ−Ｄ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【００５８】
図６〜図８に示すように、ビーム型共振器は絶縁基板２上に形成されている。このビーム型共振器の振動部１は、前述した実施の形態１の振動部１と同じ形状をしている。なお、本実施の形態２では、振動部１の圧電薄膜５と上部金属膜３の幅を一致させているが、発明の効果には影響を及ぼさない。
【００５９】
振動部１と固定部８との間に音響絶縁部１０が物理的に接続されている。振動部１と音響絶縁部１０、または音響絶縁部１０と固定部８は、必ずしも直接接続されていなくても良く、他の構造物を介して物理的に接続されていれば良い。
【００６０】
音響絶縁部１０は、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。プラスＹ軸方向の音響絶縁部１０の上部金属膜３及びマイナスＹ軸方向の音響絶縁部１０の下部金属膜４はそれぞれ電気的引出し線の働きも兼ねている。また音響絶縁部１０のＸ軸方向に沿った幅Ｗｂ（第４寸法）は、例えば０．８μｍに設定され、Ｙ軸方向に沿った長さＬｂは、例えば１０μｍに設定されている。
【００６１】
音響絶縁部１０の固有共振周波数は、振動部１の固有共振周波数よりも低く設定されている。ここで振動部１の固有共振周波数とは、振動部１のＴＷＥモードの直列共振周波数である。また音響絶縁部１０の固有共振周波数とは、音響絶縁部１０がＴＷＥモードで振動したときの共振周波数である。上下面に電極が存在する場合は、上下面の電極が電気的に短絡されているときは、上下面の電極に交流電圧を印加したときの直列共振周波数と一致し、また上下面の電極が電気的に開放されているときは、上下面の電極に交流電圧を印加したときの並列共振周波数と一致する。また、上下面の一方または両方に電極が存在しない場合は、電極がない面に仮想的に厚さゼロの電極を想定し、上下面の電極に交流電圧を印加したときの並列共振周波数と一致する。本実施の形態２では、上下面に電極を有し、かつ、上下面の電極が電気的に短絡されている。
【００６２】
図９及び図１０は、本実施の形態２による振動部及び音響絶縁部のＴＷＥモードの振る舞いを説明するグラフ図である。図９は振動部または音響絶縁部の幅Ｗを０．６μｍ、長さＬを１００μｍ、厚さｈを１μｍとしたビーム型共振器のＴＷＥモードの分散曲線（ｋｙ実数面）を示したグラフ図である。図１０は図９に示した周波数ｆｄ、ｆｂ、ｆｔの幅Ｗ依存性を示したグラフ図である。
【００６３】
図９に示すように、ｋｙが小さくなると、ＴＷＥモードの周波数は減少し、極小を経由して再び増加する。周波数５１００ＭＨｚでｋｙは０となり、ｋｙの複素面を経由して周波数６０２０ＭＨｚ近傍の他のモードに変わって再びｋｙの実数面に現れる。ｋｙが大きい領域のＴＷＥモード（図中破線で表示）は励振電極との結合が弱いため、実デバイスでは、図９中に実線で表示した周波数ｆｄから周波数ｆｂの範囲でのみ、ＴＷＥモードは励振または振動する。つまり周波数ｆｄから周波数ｆｂの範囲は音響伝搬周波数帯になる。一方周波数ｆｂから周波数ｆｔまでの間では、どのモードも励振、振動または伝搬はできない。そのため周波数ｆｂと周波数ｆｔとの間の周波数は音響絶縁周波数帯になる。
【００６４】
ｋｙを小さくした方が励振電極との結合が強いため、強い単一共振特性を得たい場合は、ｋｙが０またはその近傍のＴＷＥモードを利用する。このときの共振周波数はほぼ周波数ｆｂと一致、または周波数ｆｂよりわずかに低周波側にシフトする。このシフト量は長さＬに依存するが、Ｌ／ｈ＞＞１の場合、ＴＷＥモードのｋｙが０での傾きはゼロであるため、無視できる程度の量である。本実施の形態２では、Ｌ／ｈ＞＞１であるため、共振周波数は周波数ｆｂとほぼ一致する。しかし長さＬが厚さｈの数倍の場合、また、高次の非調和型ＴＷＥモードを用いた場合は、共振周波数は周波数ｆｂより低周波側にシフトするが、かならず周波数ｆｄから周波数ｆｂの間の周波数になる。
【００６５】
本発明者らは、ＴＷＥモードは、従来のＦＢＡＲとは異なり、Ｘ軸方向の振動成分を有することに着目し、効率的に振動エネルギーを振動部１に閉じ込める方法、及び固定部８と振動部１の物理的または電気的な接続方法を詳細に検討した。その結果、ＴＷＥモードでは、Ｗ／ｈを変化させると、それに対応して周波数ｆｂが変化することを見出した。このことを利用し、振動部１と固定部８との間に、振動部１より大きい幅Ｗｂを有する音響絶縁部１０を配置することで、振動エネルギーを振動部１に閉じ込めることができ、かつ、絶縁基板２に物理的に強固に接続できることを見出した。以下、音響絶縁部１０の効果について詳細に説明する。
【００６６】
図１０は本実施の形態２による周波数ｆｂ、ｆｔの幅Ｗ依存性を示したグラフ図である。幅Ｗを増加させると、周波数ｆｔはほとんど変化しないのに対し、周波数ｆｂは低周波側に移動する。周波数ｆｂと周波数ｆｔとの間の周波数は音響絶縁周波数として機能するから、幅Ｗを増加させると、音響絶縁周波数帯域は広がる。
【００６７】
本実施の形態２では、振動部１は振動周波数ｆｂ１で振動する。音響絶縁部１０の音響絶縁周波数は振動周波数ｆｂ２から周波数ｆｔの間の周波数であり、ｆｂ２＜ｆｂ１＜ｆｔであるから、振動部１の振動エネルギーは、音響絶縁部１０に進入することができない。周波数ｆｔは幅Ｗ依存性がないため、音響絶縁部１０の幅Ｗｂを振動部１の幅Ｗａよりも大きくすることで、常にｆｂ２＜ｆｂ１＜ｆｔとすることができる。そのため、音響絶縁部１０は、振動部１と固定部８とを音響的に絶縁する機能を示す。
【００６８】
振動部１は、Ｚ軸方向及びＸ軸方向は弾性波反射器６，７，１２、Ｙ軸方向は音響絶縁部１０に囲まれている。そのため、本実施の形態２では、振動部１に弾性エネルギーを閉じ込めることができる。
【００６９】
このように、本実施の形態２によれば、ビーム型共振器において、振動部１と固定部８との間に音響絶縁部１０を設置し、音響絶縁部１０の幅Ｗｂを振動部１の幅Ｗａよりも大きい値に設定することにより、弾性エネルギーを共振部分に閉じ込めることができる。
【００７０】
（実施の形態３）
本実施の形態３によるビーム型共振器を図１１〜図１３を用いて説明する。図１１はビーム型共振器の上面模式図、図１２は図１１のＥ−Ｅ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図、図１３は図１１のＦ−Ｆ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【００７１】
図１１〜図１３に示すように、本実施の形態３によるビーム型共振器は、固定部８と音響絶縁部１０以外は前述した実施の形態２によるビーム型共振器と同じ形状をしている。音響絶縁部１０は、上部金属膜３及び圧電薄膜５、または圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。固定部８は、上部金属膜３及び圧電薄膜５、または圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。プラスＹ軸方向の音響絶縁部１０の上部金属膜３及びマイナスＹ軸方向の音響絶縁部１０の下部金属膜４はそれぞれ電気的引出し線の働きも兼ねている。また音響絶縁部１０のＸ軸方向に沿った幅Ｗｂは、例えば０．９μｍに設定され、Ｙ軸方向に沿ったＬｂは、例えば１０μｍに設定されている。
【００７２】
図１４は本実施の形態３による音響絶縁部１０の周波数ｆｂ、ｆｔの幅Ｗ依存性を示したグラフ図である。上部金属膜３または下部金属膜４を有しないため、前述した実施の形態２の振動周波数ｆｂ１より振動周波数ｆｂ３の方が高周波側にシフトしている。分かりやすいように、図１４中に振動部１の振動周波数ｆｂ１を示す。
【００７３】
本実施の形態３では、振動部１は振動周波数ｆｂ１で振動する。音響絶縁部１０の音響絶縁周波数は振動周波数ｆｂ３から周波数ｆｔの間の周波数であり、ｆｂ３＜ｆｂ１＜ｆｔであるから、振動部１の振動エネルギーは、音響絶縁部１０に進入することができない。そのため、音響絶縁部１０は、振動部１と固定部８とを音響的に絶縁する機能を示す。
【００７４】
振動部１は、Ｚ軸方向及びＸ軸方向は弾性波反射器６，７，１２、Ｙ軸方向は音響絶縁部１０に囲まれている。そのため、本実施の形態３でも、振動部１に弾性エネルギーを閉じ込めることができる。
【００７５】
このように、本実施の形態３によれば、前述した実施の形態２と同様に、ビーム型共振器において、振動部１と固定部８との間に音響絶縁部１０を設置し、音響絶縁部１０の幅Ｗｂを振動部１の幅Ｗａより大きい値に設定することにより、弾性エネルギーを共振部分に閉じ込めることができる。
【００７６】
（実施の形態４）
本実施の形態４によるビーム型共振器を図１５〜図１７を用いて説明する。図１５はビーム型共振器の上面模式図、図１６は図１５のＧ−Ｇ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図、図１７は図１５のＨ−Ｈ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【００７７】
図１５〜図１７に示すように、ビーム型共振器は絶縁基板２上に形成されている。このビーム型共振器の振動部１は、前述した実施の形態２による振動部１と同じ形状をしている。また音響絶縁部１０は、前述した実施の形態２による音響絶縁部１０と同じ形状をしている。
【００７８】
振動部１と音響絶縁部１０との間に位相回転部１１が物理的に接続されている。振動部１と位相回転部１１、または位相回転部１１と音響絶縁部１０とは、必ずしも直接接続されていなくても良く、他の構造物を介して物理的に接続されていれば良い。
【００７９】
位相回転部１１は、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。プラスＹ軸方向の位相回転部１１の上部金属膜３及びマイナスＹ軸方向の位相回転部１１の下部金属膜４はそれぞれ電気的引出し線の働きも兼ねている。また位相回転部１１のＸ軸方向に沿った幅Ｗｐ（第５寸法）は、例えば０．４μｍに設定され、Ｙ軸方向に沿った長さＬｐは、例えば１．２μｍに設定されている。
【００８０】
位相回転部１１の固有共振周波数は、振動部１の固有共振周波数の１倍より大きく、１．０５倍より小さく設定されている。ここで位相回転部１１の固有共振周波数とは、位相回転部１１がＴＷＥモードで振動したときの共振周波数である。上下面に電極が存在する場合は、上下面の電極が電気的に短絡されているときは、上下面の電極に交流電圧を印加したときの直列共振周波数と一致し、また上下面の電極が電気的に開放されているときは、上下面の電極に交流電圧を印加したときの並列共振周波数と一致する。また上下面の一方または両方に電極が存在しない場合は、電極がない面に仮想的に厚さゼロの電極を想定し、上下面の電極に交流電圧を印加したときの並列共振周波数と一致する。本実施の形態４では、上下面に電極を有し、かつ、上下面の電極が電気的に短絡されている。
【００８１】
本発明者らは、ＴＷＥモードは、従来のＦＢＡＲとは異なり、Ｘ軸方向の振動成分を有することに着目し、振動部１の振動形態をピストンモードにする方法、及び音響絶縁部１０と振動部１との物理的な接続方法を詳細に検討した。その結果、ＴＷＥモードでは、幅Ｗを変化させると、それに対応して周波数ｆｄも変化することを見出した。また周波数ｆｄの変化の割合は、ほぼ周波数ｆｂの変化の割合と等しいことも見出した。このことを利用し、振動部１と音響絶縁部１０との間に、振動部１とは異なる幅Ｗｐを有する位相回転部１１を配置することで、振動部１の振動形態をピストンモードにすることができ、かつ、絶縁基板２に物理的に強固に接続できることを見出した。以下、位相回転部１１の効果について詳細に説明する。
【００８２】
図１８は、本実施の形態４による位相回転部１１の周波数ｆｄ、ｆｂの幅Ｗ依存性を示した図である。分かりやすいように、図１８中に振動部１の振動周波数ｆｂ１を示す。
【００８３】
本実施の形態４では、振動部１は振動周波数ｆｂ１で振動する。位相回転部１１の音響伝搬周波数は振動周波数ｆｄ４から振動周波数ｆｂ４の間の周波数であり、ビーム型共振器では振動周波数ｆｄ４は振動周波数ｆｂ４の約０．９５倍である。本実施の形態４では、位相回転部１１の幅Ｗｐを振動部１の幅Ｗａよりも小さくすることにより、ｆｄ４＜ｆｂ１＜ｆｂ４とすることができる。ｆｄ４＜ｆｂ１＜ｆｂ４であるから、振動部１の弾性波は、位相回転部１１に進入し音響絶縁部１０まで伝搬する。しかしｆｂ２＜ｆｂ１＜ｆｔであるから、位相回転部１１の弾性波は、音響絶縁部１０で反射し、再び位相回転部１１を伝搬し、振動部１に戻る。そのため、位相回転部１１は、振動部１から出る弾性波と戻る弾性波の位相を制御する機能を示す。
【００８４】
音響絶縁部１０の反射では、弾性波の位相は１８０度回転するため、位相回転部１１で弾性波の位相を９０度（往復で１８０度）回転させることにより、振動部１の振動形態をピストンモードにすることができる。
【００８５】
図１９及び図２０は、本実施の形態４による位相回転部１１の効果を示したグラフ図である。図１９は本実施の形態４によるビーム型共振器のインピーダンス特性を示したグラフ図である。図２０は比較のため、位相回転部１１の幅Ｗｐを振動部１の幅Ｗａと一致させたビーム型共振器のインピーダンス特性を示したグラフ図である。本実施の形態４では、振動部１の振動形態がピストンモードになっているため、スプリアスの励振を抑えることができる。
【００８６】
このように、本実施の形態４によれば、ビーム型共振器において、振動部１と音響絶縁部１０との間に位相回転部１１を設置し、位相回転部１１の幅Ｗｐを、振動部１の幅Ｗａと異なる値にし、振動部１の共振周波数より位相回転部１１の共振周波数を高く設定することにより、スプリアスのないビーム型共振器を提供することができる。
【００８７】
（実施の形態５）
本実施の形態５によるビーム型共振器を図２１〜図２３を用いて説明する。図２１はビーム型共振器の上面模式図、図２２は図２１のＩ−Ｉ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図、図２３は図２１のＪ−Ｊ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【００８８】
図２１〜図２３に示すように、本実施の形態５によるビーム型共振器は、位相回転部１１以外は前述した実施の形態４によるビーム型共振器と同じ形状をしている。位相回転部１１は、上部金属膜３及び圧電薄膜５、または圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。プラスＹ軸方向側の位相回転部１１の上部金属膜３及びマイナスＹ軸方向側の位相回転部１１の下部金属膜４はそれぞれ電気的引出し線の働きも兼ねている。また位相回転部１１のＸ軸方向に沿った幅Ｗｐは、例えば０．７μｍに設定され、Ｙ軸方向に沿ったＬｐは、例えば１．０μｍに設定されている。
【００８９】
図２４は本実施の形態５による位相回転部１１の周波数ｆｄ、ｆｂの幅Ｗ依存性を示したグラフ図である。上部金属膜３または下部金属膜４を有しないため、前述した実施の形態４の振動周波数ｆｂ４より振動周波数ｆｂ５の方が高周波側にシフトしている。分かりやすいように、図２４中に振動部１の振動周波数ｆｂ１を示す。位相回転部１１の固有共振周波数は、振動部１の固有共振周波数の１倍より大きく、１．０５倍より小さく設定されている。
【００９０】
本実施の形態５では、振動部１は振動周波数ｆｂ１で振動する。位相回転部１１の音響伝搬周波数は振動周波数ｆｄ５から振動周波数ｆｂ５の間の周波数であり、ビーム型共振器では振動周波数ｆｄ５は振動周波数ｆｂ５の約０．９５倍である。ｆｄ５＜ｆｂ１＜ｆｂ５であるから、前述した実施の形態４と同じ効果、つまり振動部１の振動形態をピストンモードにすることができる。本実施の形態５では、振動部１の振動形態がピストンモードになっていることから、スプリアスの励振を抑えることができる。
【００９１】
このように、本実施の形態５によれば、前述した実施の形態４と同様に、ビーム型共振器において、振動部１と音響絶縁部１０との間に位相回転部１１を設置し、振動部１の幅Ｗａと位相回転部１１の幅Ｗｐとを異なる値にし、振動部１の共振周波数より位相回転部１１の共振周波数を高く設定することにより、スプリアスのないビーム型共振器を提供することができる。
【００９２】
（実施の形態６）
本実施の形態６によるビーム型共振器を図２５〜図２７を用いて説明する。図２５はビーム型共振器の上面模式図、図２６は図２５のＫ−Ｋ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図、図２７は図２５のＬ−Ｌ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【００９３】
図２５〜図２７に示すように、ビーム型共振器は絶縁基板２上に形成されている。ビーム型共振器は、振動部１と位相回転部１１と音響絶縁部１０と固定部８とで構成されている。振動部１と音響絶縁部１０との間に位相回転部１１が物理的に接続されている。音響絶縁部１０と絶縁基板２との間に固定部８が物理的に接続されている。
【００９４】
振動部１は、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。圧電薄膜５は、上部金属膜３と下部金属膜４とに挟まれている。上部金属膜３及び下部金属膜４は、例えば厚さ０．１μｍのアルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。圧電薄膜５は、例えば厚さ１μｍのＣ軸配向した窒化アルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。Ｃ軸の向きは、絶縁基板２に垂直な方向を向いている。振動部１の幅Ｗａは、例えば０．６μｍであり、長さＬａは、例えば１００μｍであり、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４の幅は同じである。
【００９５】
位相回転部１１は、圧電薄膜５及び下部金属膜４、または上部金属膜３及び圧電薄膜５で構成されている。上部金属膜３及び下部金属膜４は、例えば厚さ０．１μｍのアルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。圧電薄膜５は、例えば厚さ１μｍのＣ軸配向した窒化アルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。Ｃ軸の向きは、絶縁基板２に垂直な方向を向いている。位相回転部１１の幅Ｗｐは、例えば０．９６μｍ、長さＬｐは、例えば１．６μｍであり、圧電薄膜５及び下部金属膜４の幅は同じである。
【００９６】
音響絶縁部１０は、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。圧電薄膜５は、上部金属膜３と下部金属膜４とに挟まれている。上部金属膜３及び下部金属膜４は、例えば厚さ０．１μｍのアルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。圧電薄膜５は、例えば厚さ１μｍのＣ軸配向した窒化アルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。Ｃ軸の向きは、絶縁基板２に垂直な方向を向いている。音響絶縁部１０の幅Ｗｂは、例えば０．８μｍ、長さＬｂは、例えば１０μｍであり、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４の幅は同じである。２つ音響絶縁部１０は、それぞれ上部金属膜３と下部金属膜４とが等電位になるように、音響絶縁部１０とは異なる部分で電気的に接続されている。
【００９７】
固定部８は、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。圧電薄膜５は、上部金属膜３と下部金属膜４に挟まれている。上部金属膜３及び下部金属膜４は、例えば厚さ０．１μｍのアルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。圧電薄膜５は、例えば厚さ１μｍのＣ軸配向した窒化アルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。Ｃ軸の向きは、絶縁基板２に垂直な方向を向いている。２つの固定部８は、それぞれ上部金属膜３と下部金属膜４とが等電位になるように、電気的に接続されている。
【００９８】
絶縁基板２は、シリコン単結晶基板及びその表面に形成された厚さ１μｍの酸化珪素膜で構成されている。表面に酸化珪素膜を形成することで、シリコン単結晶基板は、電気的に絶縁基板として機能する。
【００９９】
図２８は、本実施の形態６によるビーム型共振器のインピーダンス特性を示したグラフ図である。電極材料にアルミニウムを用いたため、ｋ２は９．４４％となり、前述した図５に示した値よりさらに大きい値を示す。また、振動部１、位相回転部１１、音響絶縁部１０及び固定部８の全ては、同じ膜厚の上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。これにより、共振器は３回の成膜工程で形成することができて、例えば特許文献２に開示されている公知の技術より少ない工程数で、エネルギー閉じ込め、ピストンモードの励振を実現することができる。この結果、低損失でスプリアスのないビーム型共振器を低コストに提供することができる。
【０１００】
（実施の形態７）
本実施の形態７によるビーム型共振器を図２９〜図３１を用いて説明する。図２９はビーム型共振器の上面模式図、図３０は図２９のＭ−Ｍ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図、図３１は図２９のＮ−Ｎ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【０１０１】
図２９〜図３１に示すように、ビーム型共振器は絶縁基板２上に形成されている。ビーム型共振器は、振動部１、位相回転部１１、音響絶縁部１０及び固定部８で構成されている。振動部１と音響絶縁部１０との間に位相回転部１１が物理的に接続されている。音響絶縁部１０と絶縁基板２との間に固定部８が物理的に接続されている。
【０１０２】
振動部１は、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。圧電薄膜５は、上部金属膜３と下部金属膜４とに挟まれている。上部金属膜３及び下部金属膜４は、例えば厚さ０．１μｍのモリブデンを主成分とする薄膜で構成されている。圧電薄膜５は、例えば厚さ１μｍのＣ軸配向した窒化アルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。Ｃ軸の向きは、絶縁基板２に垂直な方向を向いている。振動部１の幅Ｗａは、例えば０．６μｍ、長さＬａは、例えば１００μｍであり、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４の幅は同じである。
【０１０３】
位相回転部１１は、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。下部金属膜４は、例えば厚さ０．１μｍのモリブデンを主成分とする薄膜で構成されている。圧電薄膜５は、例えば厚さ１μｍのＣ軸配向した窒化アルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。Ｃ軸の向きは、絶縁基板２に垂直な方向を向いている。位相回転部１１の幅Ｗｐは、例えば０．４μｍ、長さＬｐは、例えば３．５μｍであり、圧電薄膜５及び下部金属膜４の幅は同じである。
【０１０４】
音響絶縁部１０は、上部金属膜３及び圧電薄膜５、または圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。上部金属膜３及び下部金属膜４の厚さは、例えば０．１μｍのモリブデンを主成分とする薄膜で構成されている。圧電薄膜５は、例えば厚さ１μｍのＣ軸配向した窒化アルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。Ｃ軸の向きは、絶縁基板２に垂直な方向を向いている。音響絶縁部１０の幅Ｗｂは、例えば１．４μｍ、長さＬｂは、例えば１０μｍであり、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４の幅は同じである。
【０１０５】
固定部８は、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４、または圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。図３０のプラスＹ軸方向側の固定部８では、圧電薄膜５が上部金属膜３と下部金属膜４とに挟まれている。上部金属膜３及び下部金属膜４は、例えば厚さ０．１μｍのモリブデンを主成分とする薄膜で構成されている。圧電薄膜５は、例えば厚さ１μｍのＣ軸配向した窒化アルミニウムを主成分とする薄膜で構成されている。Ｃ軸の向きは、絶縁基板２に垂直な方向を向いている。図３０のマイナスＹ軸方向側の固定部８では、上部金属膜３と下部金属膜４とが等電位になるように、電気的に接続されている。
【０１０６】
絶縁基板２は、シリコン単結晶基板及びその表面に形成された厚さ１μｍの酸化珪素膜で構成されている。表面に酸化珪素膜を形成することで、シリコン単結晶基板は、電気的に絶縁基板として機能する。
【０１０７】
図３２は、本実施の形態７によるビーム型共振器のインピーダンス特性を示したグラフ図である。電極材料に重いモリブデンを用いたため、ｋ２は９．７３％となり、前述した実施の形態６に示した値よりさらに大きい値を示す。また前述した実施の形態６と同様に、振動部１、位相回転部１１、音響絶縁部１０及び固定部８の全ては、同じ膜厚の上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。これにより共振器は３回の成膜工程で形成することができて、例えば特許文献２に開示されている公知の技術より少ない工程数で、エネルギー閉じ込め、ピストンモードの励振を実現することができる。この結果、低損失でスプリアスのないビーム型共振器を低コストに提供することができる。
【０１０８】
（実施の形態８）
本実施の形態８によるビーム型共振器を図３３を用いて説明する。本実施の形態８による共振器は、前述した実施の形態７の変形例である。すなわち、固定部８は、空間的には振動部１のマイナスＸ軸方向に位置しているが、物理的には振動部１のプラスＹ軸方向及びマイナスＹ軸方向に間接的に接続されている。これにより、前述した実施の形態７と同様の機能を有する。
【０１０９】
（実施の形態９）
本実施の形態９による複数の振動部を有するビーム型共振器を図３４及び図３５を用いて説明する。図３４はビーム型共振器の上面模式図であり、図３５はビーム型共振器のインピーダンス特性を示したグラフ図である。
【０１１０】
図３４に示すように、２つの振動部１及び位相回転部１１からなる部分が、共通の音響絶縁部１０に接続されている。位相回転部１１は前述した実施の形態７の位相回転部１１と同じ形状をなしている。振動部１は前述した実施の形態７の振動部１と同じく、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。振動部１の幅Ｗａは、例えば０．６μｍ、長さＬａは、例えば５０μｍであり、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４の幅は同じである。
【０１１１】
音響絶縁部１０は、前述した実施の形態７と同じく、上部金属膜３及び圧電薄膜５、または圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。音響絶縁部１０の幅Ｗｂは、例えば１．９μｍ、長さＬｂは、例えば１０μｍであり、上部金属膜３、下部金属膜４及び圧電薄膜５の幅は同じである。
【０１１２】
また、図３５に示すように、ビーム型共振器は、前述した実施の形態７と類似の電気特性を示す。２つの振動部１の振動周波数は音響絶縁部１０の絶縁周波数範囲に入っているため、音響絶縁部１０は前述した実施の形態７の音響絶縁部１０と同じ機能を果たす。１つの音響絶縁部１０に複数の振動部１が接続された場合でも、発明の効果は変わらない。
【０１１３】
（実施の形態１０）
本実施の形態１０によるビーム型共振器群を図３６を用いて説明する。図３６（ａ）は、前述した実施の形態１に示したビーム型共振器を並列に多数接続したビーム型共振器群の第１例の上面模式図、図３６（ｂ）は、前述した実施の形態７に示したビーム型共振器を並列に多数接続したビーム型共振器群の第２例の上面模式図である。以下、前述した実施の形態７に示したビーム型共振器を並列に複数接続したビーム型共振器群について説明する。
【０１１４】
図３６（ｂ）に示すように、１つの下部弾性波反射器６上に、複数のビーム型共振器が形成されている。これらビーム型共振器は１つの固定部８を共有している。１つの固定部８で全てのビーム型共振器は電気的に接続され、共通の入出力端子１３に接続されている。また音響絶縁部１０と固定部８とは接続部１４を介して物理的に接続されている。複数のビーム型共振器で下部弾性波反射器６を共有するため、チップ上に多くのビーム型共振器を配置することができる。そのためチップを小型にすることができる。
【０１１５】
共振器等のインピーダンス素子を高周波フィルタ等の高周波電気部品として用いる場合、または他の部品と接続してシステムを形成する場合は、接続先の電気部品と特性インピーダンスを一致させる必要がある。特性インピーダンスは各部品間で自由に設定することはできるが、低すぎると電気抵抗損が大きくなり、また高すぎると電圧振幅が電源電圧を超えてしまうため、一般に５０〜２００Ωに設定される。しかし、ビーム型共振器群を用いることにより、並列接続するビーム型共振器の個数を調節して、任意の特性インピーダンスを実現することができる。
【０１１６】
このように、本実施の形態１０によれば、複数のビーム型共振器を１個の下部弾性波反射器６上に配置することにより、任意の特性インピーダンスを設定することが可能である小型の高周波フィルタを提供することができる。
【０１１７】
（実施の形態１１）
本実施の形態１１による高周波フィルタを図３７〜図４５を用いて説明する。
【０１１８】
図３７は、前述した実施の形態１０によるビーム型共振器を用いたハイパスフィルタの回路図である。
【０１１９】
複数のビーム型共振器１５が、２個の入出力端子１３の間に並列腕に電気的に接続されている。ビーム型共振器１５は弾性エネルギーの漏洩が小さいため、直列共振周波数で抵抗値がほぼゼロになり、また並列共振周波数で抵抗値はほぼ無限大になる。そのため通過特性において、直列共振周波数に減衰極ができ、また並列共振周波数に通過損失最小点ができる。
【０１２０】
図３８は、前述した実施の形態１０によるビーム型共振器の全ての振動部の幅を同じに設定したローパスフィルタの通過特性を説明するグラフ図である。ビーム型共振器はｋ２が大きく、弾性エネルギーの漏洩が小さく、またスプリアスがない。これにより、減衰周波数帯域及び通過周波数帯域を広くすることができ、またその間のそれぞれの減衰量が大きく、損失量が小さく、さらにスプリアスのない通過特性を実現することができる。
【０１２１】
図３９は、前述した実施の形態１０によるビーム型共振器の各振動部の幅を異なる値（７種類）に設定したローパスフィルタの通過特性を説明するグラフ図である。
【０１２２】
本発明者らは、ＴＷＥモードは、従来ＦＢＡＲとは異なり、Ｘ軸方向の振動成分を有することに着目し、直列共振周波数または並列共振周波数と振動部の形状との関係を詳細に検討した。その結果、ＴＷＥモードでは、振動部の幅Ｗを変化させると、それに対応して直列共振周波数及び並列共振周波数が変化することを見出した。このことを利用して、振動部の幅Ｗの異なる複数のビーム型共振器を並列に接続することで、複数の減衰極を有するローパスフィルタを実現できることを見出した。以下に、図４０を用いて詳細に説明する。
【０１２３】
図４０は、直列共振周波数または並列共振周波数と振動部の幅Ｗ依存性との関係を説明するグラフ図である。振動部の幅Ｗを増加させると、直列共振周波数及び並列共振周波数は低周波側に移動する。直列共振周波数及び並列共振周波数は、０．７μｍ近傍で間隔が最大になるが、ほぼ同じ傾向で単純に減少する。このことから、ビーム型共振器では、圧電薄膜、上部金属膜及び下部金属膜の膜厚を変えることなく、また新たな膜を付加することなく、振動部の幅Ｗにより直列共振周波数及び並列共振周波数を調整することができる。
【０１２４】
これにより、直列共振周波数及び並列共振周波数の異なる複数のビーム型共振器を、共通のプロセスで一括して製造することが可能になる。前述の図３９に示したように、減衰周波数帯域及び通過周波数帯域にさらに広く、またその間のそれぞれの減衰量がさらに大きく、損失量がさらに小さい通過特性を実現することができる。
【０１２５】
図４１は、前述した実施の形態１から実施の形態１０によるビーム型共振器を直列に多数接続したローパスフィルタの回路図である。複数のビーム型共振器１５が、２個の入出力端子１３の間に直列腕に電気的に接続されている。そのため通過特性において、直列共振周波数に通過損失最小点ができ、また並列共振周波数に減衰極ができる。
【０１２６】
図４２は、前述した実施の形態１０によるビーム型共振器の全ての振動部の幅を同じに設定したローパスフィルタの通過特性を説明するグラフ図である。ビーム型共振器はｋ２が大きく、弾性エネルギーの漏洩が小さく、またスプリアスがない。これにより、減衰周波数帯域及び通過周波数帯域を広くすることができ、またその間のそれぞれの減衰量が大きく、損失量が小さく、さらにスプリアスのない通過特性を実現することができる。
【０１２７】
図４３は、前述した実施の形態１０によるビーム型共振器の各振動部の幅を異なる値（７種類）に設定したローパスフィルタの通過特性を説明するグラフ図である。減衰周波数帯域及び通過周波数帯域をさらに広く、またその間のそれぞれの減衰量がさらに大きく、損失量がさらに小さい通過特性を実現することができる。
【０１２８】
図４４は、前述した実施の形態１から実施の形態１０によるビーム型共振器を用いたバンドパスフィルタの回路図であり、図４５は、その通過特性を説明するグラフ図である。２個の入出力端子１３の間に直列腕に１個のビーム型共振器１５が接続され、並列腕に１個のビーム型共振器１５が電気的に接続されている。直列腕の振動部は並列腕の振動部より幅を狭く設定されている。圧電薄膜、上部金属膜及び下部金属膜の膜厚は同じに設定されている。本実施の形態１１によると、直列共振周波数の異なる複数のビーム型共振器を、共通のプロセスで一括して製造することができる。すなわち、電気特性の優れた高周波フィルタを低コストに提供することができる。
【０１２９】
なお、前述の図４４では、ガンマ型のバンドパスフィルタに適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば多段に接続したラダー型フィルタ、平衡型フィルタまたは分波器において、本実施の形態１１を用いることができ、同様の効果が得られることはいうまでもない。
【０１３０】
（実施の形態１２）
本実施の形態１２によるビーム型共振器を図４６〜図４８を用いて説明する。図４６はビーム型共振器の上面模式図、図４７は図４６のＯ−Ｏ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図、図４８は図４６のＰ領域の上面模式図である。
【０１３１】
図４６〜図４８に示すように、絶縁基板２上に従来のＦＢＡＲ１６が形成されている。ＦＢＡＲ１６は、圧電薄膜５と、この圧電薄膜５を挟んで存在する一対の上部金属膜３及び下部金属膜４で構成されている。
【０１３２】
ＦＢＡＲ１６のＸ軸方向及びＹ軸方向の寸法はＺ軸方向の寸法より充分大きく設定されている。そのためＦＢＡＲ１６の構造がフィルム状（共振部分のＸＹＺ軸方向の二方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）が充分長い構造）であり、面構造をなしている。
【０１３３】
ＦＢＡＲ１６は、プラスＸ軸方向及びマイナスＸ軸方向、ならびにプラスＹ軸方向及びマイナスＹ軸方向の両端部に、位相回転部１１及び音響絶縁部１０を介して固定部８と物理的に接続されている。
【０１３４】
位相回転部１１は、上部金属膜３及び圧電薄膜５、または圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されている。また位相回転部１１の幅Ｗｐは、例えば１．２μｍに設定され、長さＬｐは、例えば３．５μｍに設定されている。ここでＦＢＡＲ１６の固有共振周波数とは、ＦＢＡＲ１６の直列共振周波数である。
【０１３５】
本発明者らは、ＴＷＥモードは、従来ＦＢＡＲとは異なり、位相回転部１１及び音響絶縁部１０の幅を変化させるとそれに対応して周波数ｆｄ及び周波数ｆｂを大きく変化させられること、ならびにＦＢＡＲ１６より広い絶縁周波数帯域を有することに着目し、ＦＢＡＲ１６の厚さ振動モードをＴＷＥモードに変換する方法を詳細に検討した。その結果、位相回転部１１の固有共振周波数をＦＢＡＲ１６の固有共振周波数の１倍より大きく、１．０５倍より小さく設定することにより、厚さ振動モードはＴＷＥモードにモード変換することで位相回転部１１に進入することができることを見出した。また音響絶縁部１０の固有共振周波数をＦＢＡＲ１６の固有共振周波数より低く設定することにより、位相回転部１１中を伝搬するＴＷＥモードは、音響絶縁部１０に進入できないことを見出した。
【０１３６】
ＦＢＡＲ１６の固有共振周波数は、前述の図９の周波数ｆｂで示すように、ＴＷＥモードの固有共振周波数より１０％程度高い。位相回転部１１の固有共振周波数をＦＢＡＲ１６の固有共振周波数より０〜５％高くするため、本実施の形態１２では、位相回転部１１は上部金属膜３及び圧電薄膜５、または圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成している。さらに位相回転部１１での主振動モードをＴＷＥモードにする必要がある。
【０１３７】
音響絶縁部１０の固有共振周波数をＦＢＡＲ１６の固有共振周波数より低くするには、音響絶縁部１０での主振動モードをＴＷＥモードにすればよい。本実施の形態１２では、位相回転部１１は上部金属膜３及び圧電薄膜５、または圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されているが、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成しても良い。この場合、音響絶縁部１０でＴＷＥモードの励振を防ぐため、上部金属膜３と下部金属膜４とは電気的に短絡されていることが望ましい。
【０１３８】
図４９は、本実施の形態１２によるビーム型共振器の音響絶縁部の弾性モードの幅Ｗ依存性を説明したグラフ図である。音響絶縁部にはＴＷＥモードの他に、スプリアスとして観測される高次のＴＷＥモードが存在する。高次のＴＷＥモードも音響伝搬周波数帯を有するため、音響絶縁部を安定に絶縁層として機能させるには、高次のＴＷＥモードを排除することが望ましい。
【０１３９】
このように、本実施の形態１２によれば、Ｗ／ｈを２より小さくすることで、いかなる幅Ｗに対しても、ＴＷＥモードの固有共振周波数と高次のＴＷＥモードの固有共振周波数とは一致することはない。すなわち、Ｗ／ｈを２より小さくすることで、音響絶縁部は、安定した音響絶縁部として機能させることができる。位相回転部に関しても同様に、Ｗ／ｈを２より小さくすることで、安定した位相回転部として機能させることができる。
【０１４０】
（実施の形態１３）
本実施の形態１３によるビーム型共振器を図５０〜図５２を用いて説明する。図５０はビーム型共振器の上面模式図、図５１は図５０のＱ−Ｑ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図、図５２は図５０のＲ−Ｒ′線に沿ったビーム型共振器の断面模式図である。
【０１４１】
図５０〜図５２に示すように、複数のビーム型共振器が平行に配置してある。各ビーム型共振器は、電圧の印加方向は隣り合うビーム型共振器とは逆向きに配置されている。隣り合うビーム型共振器の中心間距離をＰ、ビーム型共振器の振動部１の固有共振周波数をｆ０、絶縁基板２の弾性定数をＣｉｊ、密度をｐとしたとき、Ｐ＜（ｆ０×（Ｃｉｊ／ｐ）１／２）／２の式に設定されているので、絶縁基板２が下部弾性波反射器６の機能を果たしている。音響絶縁部１０は絶縁基板２の表面に形成されているので、音響絶縁部１０が固定部８の機能も果たしている。
【０１４２】
このように、本実施の形態１３によれば、絶縁基板２が下部弾性波反射器６の機能を果たしているため、下部弾性波反射器６の製造プロセスを省くことができ、低コストにビーム型共振器及びそれを用いた高周波フィルタを提供することができる。
【０１４３】
（実施の形態１４）
本実施の形態１４による高周波デバイスを図５３及び図５４を用いて説明する。図５３は高周波デバイスの上面模式図、図５４は高周波デバイスの等価回路図である。
【０１４４】
図５３及び図５４に示すように、表面に酸化珪素膜を有するシリコンチップ上に１００μｍ角の４個の入出力端子１３と４個の接地端子１７と複数のビーム型共振器１５とが配置されている。図５３では電気接続線を省略しているが、それぞれは図５４に示す等価回路に従い、ビーム型共振器１５はラダー型に電気的に接続されている。図５３に示すビーム型共振器群は、前述した実施の形態１から実施の形態１０に示したビーム型共振器で構成されている。そのため、本実施の形態１４による高周波デバイスは、多数のビーム型共振器１５で構成されている。各ビーム型共振器１５は、必ずしも向きをそろえる必要はなく、電気的接続の容易な向きに配置することができる。また各ビーム型共振器１５は、弾性エネルギーの漏洩が無いため、各ビーム型共振器１５を近接して配置することができる。その結果、小さいチップに多くのビーム型共振器１５を配置することができる。すなわち、高周波デバイスのチップサイズを小さくすることができるので、小型で低コストの高周波デバイスを提供することができる。
【０１４５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【０１４６】
例えば前述した実施の形態では、圧電薄膜及び電極の膜厚は、特定の厚さを例に説明している。しかし、これらの膜厚が変わると動作周波数または固有共振周波数はシフトするが、周波数ｆｄ、ｆｂ及びｆｔの相対的な大小関係は変わらない。そのため本発明の効果は膜厚に限定されることは無い。また幅Ｗ、長さＬ及び厚さｈは相対的な値に意味があるため、本発明の効果は特定の寸法に限定されることは無い。
【０１４７】
また、前述した実施の形態１から実施の形態１０では、１組のホット電極とグランド電極で構成されているシングルモード共振器を例に説明しているが、複数のホット電極で構成されているマルチモード共振器でも同様の効果があることはいうまでもない。代表的なマルチモード共振器は、例えば上部電極の中心近傍で上部電極にスリットを入れることにより実現することができる。また、近接させた２個のビーム型共振器の振動部１の一部を圧電薄膜５または上部金属膜３または下部金属膜４で接続することで実現することができる。
【０１４８】
また、前述した実施の形態１から実施の形態１０では、振動部１、固定部８、音響絶縁部１０及び位相回転部１１は、上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４で構成されているが、他の物質が付加されていても同様の効果があることはいうまでもない。例えば振動部１の上部金属膜３と圧電薄膜５の間、圧電薄膜５と下部金属膜４との間、または上部金属膜３の上、または下部金属膜４の下に酸化珪素膜を付加しても良い。この場合、温度安定性の向上の効果がある。また下部金属膜４の下に絶縁膜または異種金属膜を付加しても良い。この場合、下部弾性波反射器６としての空洞を安定して形成することができ、さらに上部金属膜３、圧電薄膜５及び下部金属膜４のそれぞれの膜質を向上させることができるため、ビーム型共振器の損失をいっそう低減することができる。
【０１４９】
また、前述した実施の形態では、音響反射器として空気を用いた。これはＴＷＥモードに対して固体と空気の音響インピーダンスの差が大きく、その界面でほぼ１００％の反射係数を示すため、最も優れた音響反射器として機能する。空気の変わりに他の気体または真空を用いても同じ効果がある。一方音響反射器として非特許文献１に開示されているブラッグ反射器を用いた場合、空気を用いた場合より若干ｋ２は小さくなり、また製造コストは上昇する。しかし、従来のＳＭＲ型の特徴である頑丈性を有し、かつ、ＳＭＲ型より工程数が少なく、ｋ２が大きく、弾性エネルギーを共振部分に閉じ込め、スプリアス共振を励振せず、共振周波数の微調整を可能にするビーム型共振器及びそれを用いた高周波フィルタを提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本発明は、共振周波数が１０ＭＨｚ以上の高周波で、かつ、共振部が薄膜で形成されている圧電弾性波共振器及びそれを用いた弾性波装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１５１】
１  振動部
２  絶縁基板
３  上部金属膜（上部電極）
４  下部金属膜（下部電極）
５  圧電薄膜
６  下部弾性波反射器（下部音響反射器）
７  上部弾性波反射器（上部音響反射器）
８  固定部
９  固定面
１０  音響絶縁部
１１  位相回転部
１２  側部弾性波反射器（側部音響反射器）
１３  入出力端子
１４  接続部
１５  ビーム型共振器
１６  ＦＢＡＲ
１７  接地端子
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【国際調査報告】
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