(57)【要約】【課題】圧電薄膜共振子において、膜厚制御が必要な層数を減じながら、共振特性を改善する。【解決手段】基板１と、下部電極２と、圧電膜３と、上部電極４と、下部電極２と上部電極４とが対向する領域である共振部Ｒ１と重なる、下部電極２と基板１との間に備わる空隙６とを備えた圧電薄膜共振子であって、下部電極２の上における、共振部Ｒ１と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターン１０を備えた。【選択図】図１Ｂ
2011091639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に備わる下部電極と、
前記基板上および下部電極上に備わる圧電膜と、
前記圧電膜上に備わる上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域である共振部と重なる、前記下部電極と前記基板との間に備わる空隙とを備えた圧電薄膜共振子であって、
前記下部電極の上における、前記共振部と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターンを備えた、圧電薄膜共振子。
【請求項２】
前記空隙は、ドーム形状である、請求項１記載の圧電薄膜共振子。
【請求項３】
前記空隙の端部と前記下部電極の先端部とは、平面形状が同一形状である、請求項１記載の圧電薄膜共振子。
【請求項４】
前記付加パターンは、誘電体材料で形成されている、請求項１〜３の何れかに一項記載の圧電薄膜共振子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願の開示は、圧電薄膜共振子に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話に代表される無線機器の急速な普及により、小型で軽量な共振子およびこれを組み合わせて構成したフィルタの需要が増大している。これまでは主として誘電体フィルタと弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタが使用されてきたが、最近では、特に高周波領域で低損失である他、高耐電力性、高静電耐圧性に優れ、かつ小型化とモノリシック化が可能な素子である圧電薄膜共振子を用いて構成されたフィルタが注目されつつある。
【０００３】
このような圧電薄膜共振子の一つとして、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプの共振子が知られている。これは、基板上に、主要構成要素として下部電極と圧電膜と上部電極とを備えた積層構造体を有し、これが自由に振動できるように、圧電薄膜を挟み下部電極と上部電極が対向する部分の下部電極下には空隙が形成されている。
【０００４】
非特許文献１は、バイアホールタイプの圧電薄膜共振子を開示している。特許文献１は、下部電極と基板との間に空隙を形成したキャビティタイプの圧電薄膜共振子を開示している。特許文献２は、基板に凹部を形成したキャビティタイプの圧電薄膜共振子を開示している。特許文献３〜５は、低損失化を目的とした、上下電極に挟まれた圧電膜外周の少なくとも一部が、上下電極が対向した領域の外周より内側にある圧電薄膜共振子を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平６−４０６１１号公報
【特許文献２】特開２００４−６４７８５号公報
【特許文献３】特開２００６−１２８９９３号公報
【特許文献４】特開２００７−３００４３０号公報
【特許文献５】特開２００８−１０３７９８号公報
【非特許文献１】Electron. Lett., 17(1981), pp.507〜509
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１〜２、非特許文献１が開示している圧電薄膜共振子は、下部電極の下の空気と接する面に誘電体薄膜が形成されている。圧電薄膜共振子においては、膜厚変動が共振周波数に直接影響を及ぼすことから、膜厚分布を小さくするために、成膜時には多くの管理項目を必要とする。
【０００７】
特許文献３〜５は、圧電膜のエッチング加工後、圧電膜の端面の断面形状が斜め形状となり、共振特性が劣化してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の開示は、基板と、前記基板上に備わる下部電極と、前記基板上および下部電極上に備わる圧電膜と、前記圧電膜上に備わる上部電極と、前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域である共振部と重なる、前記下部電極と前記基板との間に備わる空隙とを備えた圧電薄膜共振子であって、前記下部電極の上における、前記共振部と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターンを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本願の開示によれば、膜厚制御が必要な層数を減じながら、共振特性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の平面図
【図１Ｂ】図１ＡにおけるＡ−Ａ部の断面図
【図２】Ａ〜Ｅは、実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の製造工程を示す断面図
【図３】Ａ〜Ｃは、犠牲層、下部電極の平面図
【図４Ａ】共振特性の解析に用いた圧電薄膜共振子の模式図
【図４Ｂ】圧電膜のオーバーエッチング量、圧電膜の端面の角度、インピーダンスの関係を示す特性図
【図５】圧電薄膜共振子の変形例１の断面図
【図６】圧電薄膜共振子の変形例２の断面図
【図７】通信モジュールのブロック図
【図８】通信装置のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施の形態）
〔１．圧電薄膜共振子の構成〕
圧電薄膜共振子の一つとして、ＦＢＡＲタイプの共振子が知られている。これは、基板上に、主要構成要素として下部電極と圧電膜と上部電極とを備えた積層構造体を有し、これが自由に振動できるように、圧電薄膜を挟み下部電極と上部電極が対向する部分の下部電極下には空隙が形成されている。
【００１２】
上部電極と下部電極の間に高周波の電気信号を印加すると、上部電極と下部電極に挟まれた圧電膜内部に逆圧電効果によって弾性波が励振される。逆に、圧電効果によって弾性波による歪が電気信号に変換される。この弾性波は上部電極と下部電極がそれぞれ空気に接している面で全反射されるため、厚み方向に主変位を持つ厚み縦振動波となる。この構造では空隙上に形成された上部電極／圧電膜／下部電極を主要構成要素とする薄膜構造部分の合計膜厚Ｈが、弾性波の１／２波長の整数倍（ｎ倍）になる周波数において共振が起こる。材料によって決まる弾性波の伝搬速度をＶとすると、共振周波数Ｆは、
Ｆ＝ｎＶ／２Ｈ
となる。この共振現象を利用して膜厚によって共振周波数を制御することにより、所望の周波数特性を有する共振子、あるいは、複数の共振子を接続することによりフィルタが作製される。このフィルタは、デュープレクサやその他の通信機器に適用される。
【００１３】
空隙は、素子基板として用いられているＳｉ基板自身の裏面からのエッチング（ウェットエッチングやドライエッチィング）、あるいは、Ｓｉ基板の表面に設けた犠牲層のウェットエッチング等によって形成することができる。これ以降、基板の裏面から表面まで貫通している孔を「バイアホール」、基板の表面近傍で下部電極直下に存在する空隙を「キャビティ」と呼ぶことにする。ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振子は、バイアホールタイプとキャビティタイプに分類することができる。
【００１４】
文献"Electron. Lett., 17(1981), pp.507〜509"が開示している圧電薄膜共振子は、熱酸化膜（ＳｉＯ2）を有する（１００）Ｓｉ基板上に、下部電極としてＡｕ−Ｃｒ、圧電膜としてＺｎＯ、上部電極としてＡｌを備えている。バイアホールは、Ｓｉ基板の裏面側からＫＯＨ水溶液、あるいは、ＥＤＰ水溶液（エチレンジアミン＋ピロカテコール＋水）を用いた異方性エッチングを施して形成することができる。
【００１５】
キャビティタイプの圧電薄膜共振子は、犠牲層上に主構成要素として上部電極／圧電膜／下部電極を形成し、最後に犠牲層をエッチングして除去することによりキャビティを形成するタイプの圧電薄膜共振子である。特公平６−４０６１１号公報は、下部電極と基板との間に空隙が形成されている圧電薄膜共振子を開示している。特公平６−４０６１１号公報が開示している圧電薄膜共振子は、犠牲層として島状のＺｎＯによる犠牲層パターンを作り、その上に、誘電体膜／上部電極／圧電膜／下部電極／誘電体膜の構造を作製し、犠牲層を酸で除去してキャビティ（エアーブリッジ構造）を備えている。
【００１６】
特開２００４−６４７８５号公報は、上部電極／圧電膜／下部電極／保護層が重なりあう領域の下方に、基板表面に凹部が設けられている圧電薄膜共振子を開示している。特開２００４−６４７８５号公報が開示している圧電薄膜共振子は、予め形成した凹部に犠牲層を堆積して基板表面を平坦化した後、上部電極／圧電膜／下部電極／保護層を形成して、最後に犠牲層をエッチングして除去することにより、キャビティを形成することができる。
【００１７】
文献"Electron. Lett., 17(1981), pp.507〜509"、特公平６−４０６１１号公報、特開２００４−６４７８５号公報が開示している圧電薄膜共振子は、下部電極の下の空気と接する面に誘電体薄膜が形成されている。圧電薄膜共振子においては、共振部を構成する全ての膜の膜厚は圧電薄膜共振子の共振周波数に直接影響を及ぼしている。従って、多数の圧電薄膜共振子を１つの基板に多数形成する製造工程を鑑みると、共振部を構成する全ての膜に対して共振周波数にばらつきを生じさせない膜厚分布制御が必要となる。下部電極の下の誘電体薄膜膜厚も例外ではなく、膜厚分布を小さくするために、成膜時には多くの管理項目を必要とする。
【００１８】
一方で、圧電薄膜共振子を用いたフィルタの特性向上のため、さらなる低損失化が求められている。損失増加原因の一つとして、弾性波が上部電極と下部電極が対向した共振領域の外側、つまり電気信号に再変換され得ない領域に弾性波が漏れていく横方向漏れ現象がある。特開２００６−１２８９９３号公報、特開２００７−３００４３０号公報、特開２００８−１０３７９８号公報は、圧電薄膜共振子の横方向漏れの閉じ込め効果を高めるために、上下電極に挟まれた圧電膜外周の少なくとも一部が、上下電極が対向した領域の外周より内側にある圧電薄膜共振子を開示している。この圧電膜の加工には、オーバーエッチングが用いられることが多い。
【００１９】
また、特開２００６−１２８９９３号公報、特開２００７−３００４３０号公報、特開２００８−１０３７９８号公報が開示している圧電薄膜共振子では、圧電膜のエッチング加工後、圧電膜の断面形状が斜め形状となり、共振特性改善に望ましい垂直断面形状を形成することが困難という課題があった。
【００２０】
さらに、特開２００６−１２８９９３号公報、特開２００７−３００４３０号公報、特開２００８−１０３７９８号公報が開示している圧電薄膜共振子では、下部電極だけで共振部を保持する構成であるため、機械的強度が不足する。また、下部電極の先端部において圧電膜が露出しているため、犠牲層除去時のエッチング液により圧電膜が侵食されてしまう可能性があるとともに、デバイス完成後の耐湿性に課題があった。
【００２１】
本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子は、膜厚制御が必要な層数を減じながら、下部電極の機械的強度と下部電極先端部での耐湿性の向上、および、圧電膜エッチング形状制御による共振特性が改善するものである。以下、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の実施例について詳述する。
【００２２】
（実施例１）
図１Ａは、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ部における断面図である。圧電薄膜共振子は、基板１、下部電極２、圧電膜３、上部電極４、付加パターン１０を備えている。
【００２３】
基板１は、本実施の形態では平坦主面を持つシリコン（Ｓｉ）基板とした。なお、基板１は、Ｓｉ基板に替えて石英基板、ガラス基板、ＧａＡｓ基板等を用いてもよい。基板１は、バイアホール形成が困難な基板を用いてもよい。
【００２４】
下部電極２及び上部電極４は、ルテニウム膜（Ｒｕ膜）（膜厚２６０ｎｍ）を用いている。下部電極２及び上部電極４は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等、あるいはこれらを組み合わせた積層材料を用いることができる。
【００２５】
圧電膜３は、窒化アルミニウム膜（ＡｌＮ膜）（膜厚１２００ｎｍ）を用いている。圧電膜３は、ＡｌＮ、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が、実用的には、音速、温度特性、Ｑ値および成膜技術の容易性・習熟度の観点からＡｌＮが用いられていることが多い。特に、ｃ軸（下部電極表面に対して垂直方向）配向した結晶性の高いＡｌＮ膜の形成が共振特性を決める重要な要因の一つであり、結合係数やＱ値に直接影響を及ぼしている。一方で、ｃ軸配向した結晶性の高いＡｌＮ膜の形成には、その成膜時に高いエネルギーを印加する必要があり、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）では１０００℃以上、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）でもプラズマの電力に加えて４００℃以上の基板加熱を必要とし、スパッタ技術を用いても絶縁膜のスパッタによる基板温度上昇が知られている。このため、一般的にＡｌＮ膜は強い膜応力を有することとなる。
【００２６】
圧電膜３を挟み上部電極４と下部電極２とが対向する領域（共振部Ｒ１）における、下部電極２の下側と基板１の平坦主面との間には、ドーム形状の膨らみを有する空隙６が形成されている。本実施の形態では、図１Ａに示すように共振部Ｒ１の平面形状を楕円としている。また、空隙６の平面形状は、共振部Ｒ１（楕円形状）を含みかつ共振部Ｒ１より大きい平面形状としている。空隙６は、下部電極下に予めパターンニングされた犠牲層を除去することにより形成することができる。これのため、下部電極２の一部には、犠牲層をエッチングして空隙６を形成するために用いる犠牲層エッチング用のエッチング液導入孔１１が設けられている。エッチング液導入孔１１は、犠牲層エッチングの直前に形成してもよいし、下部電極２をエッチングする際に同時に形成しておいてもよい。
【００２７】
付加パターン１０は、下部電極２の周辺において、共振部Ｒ１を少なくとも含むように形成されている。即ち、図１Ｂに示すように、付加パターン１０は、下部電極２の先端部２ａにおいてその一部が共振部Ｒ１を超え、基板１上まで延設されている。付加パターン１０は、下部電極２の先端部２ａ以外の部分では、空隙６上に位置する下部電極２の上から、基板１に固定された下部電極２に至るまで延設されている。すなわち、付加パターン１０は、下部電極２における保持部２ｂ（下部電極２において、空隙６に接している部分と基板１に接している部分との境界部）を跨ぐように設けられている。
【００２８】
これにより、下部電極の保持部２ｂにおける物理的な膜厚が増加することとなり、機械的強度を向上することができる。一方、付加パターン１０を備えず、下部電極２のみで共振部Ｒ１を保持する圧電薄膜共振子では、下部電極２の保持部２ｂにおいて下部電極２のみで共振部Ｒ１を保持することとなるため、機械的強度が不足する。
【００２９】
図２Ａ〜図２Ｅは、図１Ａ及び図１Ｂに示す圧電薄膜共振子の製造工程を示す断面図である。図３Ａは、犠牲層９の平面図である。図３Ｂ及び図３Ｃは、下部電極２及び犠牲層９の平面図である。
【００３０】
本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を製造する場合は、まず、図２Ａに示すように、Ｓｉ基板１上に犠牲層９（ＭｇＯ）を形成する。犠牲層９は、図３Ａに示すように楕円形状にパターニングする。
【００３１】
次に、Ｓｉ基板１及び犠牲層９の上に下部電極２（Ｒｕ）を成膜して、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理により図２Ｂに示す形状にパターニングする。下部電極２は、犠牲層９上に成膜したときは図３Ｂに示す形状であるが、パターニングを行うことにより図３Ｃに示す形状にすることができる。すなわち、図２Ｂ及び図３Ｃに示す状態では、下部電極２の先端部２ａの形状と犠牲層９の形状とがほぼ一致している。
【００３２】
次に、図２Ｃに示すように、下部電極２の先端部２ａ及び保持部２ｂを跨ぐように付加パターン１０を形成する。付加パターン１０は、スパッタリング等で代表される成膜技術を用いて成膜した後、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理により所望の形状にパターニングすることで形成することができる。
【００３３】
次に、図２Ｄに示すように、基板１、下部電極２、付加パターン１０の上に、圧電膜３（ＡｌＮ）を成膜し、圧電膜３の上に上部電極２（ＡｌＮ）を成膜する。圧電膜３及び上部電極４は、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とにより所望の形状にパターニングする。
【００３４】
次に、図２Ｅに示すように、犠牲層９を除去して、空隙６を形成する。具体的には、図１Ａに示すエッチング液導入孔１１にエッチング液を導入することで、導入されたエッチング液が犠牲層９まで流れ込み、犠牲層９をエッチングして除去することができる。犠牲層９を除去すると、下部電極２、圧電膜３、上部電極４からなる積層膜の圧縮応力によって、空隙６はドーム状となる。なお、「ドーム状」とは、空隙６の平面視中央における基板１に対する下部電極２の高さが最も高く、空隙６の平面視中央から縁部にいくにしたがって基板１に対する下部電極２の高さが徐々に低くなっている形状のことである。
【００３５】
なお、犠牲層９が除去された後は、下部電極２の先端部２ａにおける空隙６の平面形状が下部電極２の先端部２ａの平面形状とほぼ同一形状となる。一方、下部電極２の先端部２ａ以外では、下部電極２の下の空隙６が共振部Ｒ１よりも大きく形成された状態となっており、下部電極２に対する上部電極４の位置ずれに対する余裕度が広がり、製造性が向上する。
【００３６】
なお、犠牲層９となるＭｇＯ（２０〜１００ｎｍ程度）は、スパッタリング法や真空蒸着法により成膜するが、この他にも、ＺｎＯ、Ｇｅ、Ｔｉ、ＳｉＯ2など、エッチング液により容易に溶解できる材料であれば特に制限はない。
【００３７】
また、下部電極２、圧電膜３、上部電極４は、スパッタリング等で代表される成膜技術を用いて各々成膜後、フォトリソグラフィー技術とエッチングを施して所望の形状にパターニングする。下部電極２、圧電膜３、上部電極４の成膜時において、一般的な手法であるスパッタガス圧力の調整を利用して、下部電極２、圧電膜３、上部電極４からなる積層膜が概ね−３００ＭＰａの圧縮応力となるようにする。これにより、犠牲層９のエッチングが終了した時点で、積層膜が膨れ上がり、下部電極２と基板１の平坦主面上との間にドーム状の膨らみを有する空隙６が形成されることになる。
【００３８】
また、付加パターン１０は、付加パターン１０を構成する膜を、スパッタリング等で代表される成膜技術を用いて形成した後で、フォトリソグラフィー技術とエッチングにより形成することができる。また、付加パターン１０は、フォトリソグラフィー技術を用いて、形成したい場所に開口部を持つフォトレジストパターンを形成し、付加パターンを構成する膜を成膜し、フォトレジストを除去するリフトオフ技術により形成することもできる。
【００３９】
付加パターン１０を構成する膜は、ＳｉＯ2に代表される誘電体膜と、その誘電体膜の上に成膜されるＴｉ、Ａｌ、Ｃｕ等とすることができる。これらの材料はＡｌＮをエッチングする際に使用するＨ2ＳＯ4を主成分とするエッチング液に対して可溶な材料とすることができる。これにより、図２Ｅに示すように概ね垂直形状のエッチング断面形状とすることができる。
【００４０】
圧電膜３のエッチングにおいては、図１Ｂ及び図２Ｅに示すように、圧電膜３の端面３ａが、上部電極４の先端部４ａよりも共振部Ｒ１の中心側へ変位した位置関係を成すことが、共振特性を改善できることから望ましい。図１Ｂ及び図２Ｅに示す形状の圧電膜３及び上部電極４は、圧電膜３のドライエッチングにより成形するのは困難であるため、Ｈ2ＳＯ4を主成分とするエッチング液を用いたウェットエッチング技術の適用が望ましい。一般的には、圧電膜３をオーバーエッチングすることにより、図１Ｂ及び図２Ｅに示す形状に成形することが多い。しかしながら、ウェットエッチング技術により形成される圧電膜３のエッチング断面形状は、フォトリソグラフィー技術を用いて上部電極４を覆うように形成したフォトレジストパターンに対して、圧電膜３の上方から等方的に進行するエッチングメカニズムにより、エッチング終了時のエッチング断面形状は概ね斜面を有した状態となる。一方、本実施の形態に従うと、圧電膜３のエッチング時において、エッチング初期は等方的なエッチングが進行するが、付加パターン１０がエッチング液に露出した時点で、Ｈ2ＳＯ4を主成分とするエッチング液に可溶な付加パターン１０の最表面にもエッチングが進行する。よって、圧電膜３と付加パターン１０の界面側からのエッチングが促進される結果、概ね垂直形状を成す圧電膜３の断面形状を形成することができる。
【００４１】
また、下部電極２の先端部２ａでは、犠牲層９のエッチング時にエッチング液が圧電膜３に接触することが考えられ、圧電膜３に本来望ましくないエッチングが進行し、圧電膜３の品質を劣化させる可能性がある。さらに、デバイス完成後も圧電膜３が外気及び外部の湿気に直接曝されることになり、圧電膜３の品質の劣化が生じる可能性がある。本実施の形態によれば、下部電極２の先端部２ａはＳｉＯ2に代表される誘電体膜（付加パターン１０）で保護されているため、デバイス形成工程中ならびにデバイス完成後共に、圧電膜３がエッチング液、外気、外部の湿気等に触れることを防ぎ、保護することができる。したがって、圧電膜３の品質の劣化を防止することができる。
【００４２】
なお、本実施の形態において、基板１、下部電極２及び上部電極４の電極膜、圧電膜３、付加パターン１０の各材料は上記に限定されず、他の材料を使用してもよい。
【００４３】
また、上記の膜構成は圧電薄膜共振子の主要構成要素のみを記しており、例えば、下部電極２や上部電極４が２層以上の層構成であったり、上部電極４の上に誘電体膜が設けられていてもよい。上部電極４の上の誘電体膜は、例えば、保護膜あるいは周波数調整用としての役割を担う。「周波数調整用としての役割」とは、下部電極と上部電極とが対向する共振部における機械的振動を増減させるために、上部電極上に質量を与える役割のことである。
【００４４】
また、本実施の形態では、下部電極４と上部電極２とが対向する共振部Ｒ１は楕円形状であったが、これ以外に、互いに平行な２辺を含まない多角形であっても同様な効果が得られる。「互いに平行な２辺を含まない多角形」とは、例えば五角形や七角形などがある。
【００４５】
また、本実施の形態では、基板１の平坦主面上に空隙６を備えた圧電薄膜共振器としたが、基板１における共振部Ｒ１に重なる領域に空隙を持つ圧電薄膜共振子でも同様な効果が得られる。基板１における空隙は、上部電極４／圧電膜３／下部電極２を形成した後の基板１に、ドライエッチングの手法を用いて形成することができる。
【００４６】
（実施例２）
本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子について、共振特性の改善効果を解析した。
【００４７】
図４Ａは、共振特性解析に用いた圧電薄膜共振子の部分断面図である。図４Ｂは、有限要素法を用いた圧電薄膜共振子の共振特性解析結果を示す。圧電膜３のエッチングによって生じる斜面の角度βと反共振周波数におけるインピーダンスＺａの関係を示している。すなわち、図４Ｂは、図４Ａにおける下部電極２の表面に対する圧電膜３の端面３ａの角度βと、上部電極４の端部４ａに対する圧電膜３のオーバーエッチング量Ｄを変化させた場合の計算結果を示している。本実施例では、圧電膜３のオーバーエッチング量Ｄを０μｍ、０．６２５μｍ、１．２５μｍとし、角度βを１５度、３０度、４５度、６０度、７５度、９０度としたときの、インピーダンスＺａについて解析を行った。インピーダンスＺａについては、数値が大きいほど反共振Ｑの良好な共振器であることを示している。
よって、インピーダンスＺａが大きな圧電薄膜共振器をフィルタに適用することにより、低損失なフィルタを実現することができる。
【００４８】
なお、本実施例では、角度βが１５〜９０度のときのインピーダンスＺａについて説明したが、角度βは９０度よりも大きな角度（すなわち圧電膜３の端面３ａが逆テーパ）であってもよい。その場合であっても、角度βが９０度のときとほぼ同様の値のインピーダンスＺａが得られる。
【００４９】
本実施例における計測に使用した圧電薄膜共振子において、上部電極４、下部電極２は、共にＲｕで形成されている。圧電膜３は、ＡｌＮで形成されている。図４Ｂに示す計算結果によると、インピーダンスＺａは、角度βが９０度に近いほど大きな値を示し、オーバーエッチング量Ｄの変化に対してばらつきが小さくなっていることが分かる。また、圧電膜３の端面３ａの角度βが９０度に近づけば、圧電膜３のオーバーエッチングを必要としなくてもインピーダンスＺａが改善するばかりでなく、再現性に乏しいオーバーエッチングを活用した製造工程上の不安定要因が削除されることになる。
【００５０】
さらに、オーバーエッチングにより形成された圧電膜３の端面３ａのうち、特に上部電極４が庇状になっている上部電極４と圧電膜３との界面においては、圧電薄膜共振子の上面側の保護膜兼周波数調整膜となるＳｉＯ2等の誘電体膜（不図示）の形成が困難であり、誘電体膜が実質的な保護膜として機能していない場合が想定される。この課題に対しても、圧電膜３の端面３ａを下部電極２に対して概ね垂直形状とすることにより、上部電極４を庇状に形成する必要が無くなり、上部電極４と圧電膜３の界面にも有意な保護膜を形成できることから、耐湿性の効果が向上することになる。
【００５１】
図５は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の変形例１である。図５に示す圧電薄膜共振子は、下部電極２の保持部２ｂ側の付加パターン１０の上に、さらに付加パターン１２を備えたものである。このような構成とすることにより、下部電極２における保持部２ｂ近傍の膜厚をさらに厚くすることができるので、機械的強度を向上させることができる。なお、下部電極２の先端部２ａ側の付加パターン１０は、保持部１０ｂ側の付加パターン１０及び１２のように二層としてもよいが、圧電膜３の耐湿性を向上できればよいため少なくとも一層あればよい。
【００５２】
図６は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子の変形例２である。図６に示す圧電薄膜共振子は、図５に示す圧電薄膜共振子における付加パターン１０を圧電膜３と下部電極２との間に潜り込ませて配置したものである。このような構成とすることにより、下部電極２における保持部２ｂ近傍の膜厚をさらに厚くすることができるので、機械的強度を向上させることができる。
【００５３】
〔２．通信モジュールの構成〕
図７は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を備えた通信モジュールの一例を示す。図７に示すように、デュープレクサ６２は、受信フィルタ６２ａと送信フィルタ６２ｂとを備えている。また、受信フィルタ６２ａには、例えばバランス出力に対応した受信端子６３ａ及び６３ｂが接続されている。また、送信フィルタ６２ｂは、パワーアンプ６４を介して送信端子６５に接続している。ここで、受信フィルタ６２ａ、送信フィルタ６２ｂの双方、或いは何れか一方は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を備えている。
【００５４】
受信動作を行う際、受信フィルタ６２ａは、アンテナ端子６１を介して入力される受信信号のうち、所定の周波数帯域の信号のみを通過させ、受信端子６３ａ及び６３ｂから外部へ出力する。また、送信動作を行う際、送信フィルタ６２ｂは、送信端子６５から入力されてパワーアンプ６４で増幅された送信信号のうち、所定の周波数帯域の信号のみを通過させ、アンテナ端子６１から外部へ出力する。
【００５５】
本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を通信モジュールに備えることで、下部電極の機械的強度と下部電極先端部での耐湿性の向上、および、圧電膜エッチング形状制御による共振特性が改善された通信モジュールを得ることができる。
【００５６】
なお、図７に示す通信モジュールの構成は一例であり、他の形態の通信モジュールに本実施の形態にかかるフィルタを搭載しても、同様の効果が得られる。
【００５７】
〔３．通信装置の構成〕
図８は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子、または前述の通信モジュールを備えた通信装置の一例として、携帯電話端末のＲＦブロックを示す。また、図８に示す通信装置は、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）通信方式及びＷ−ＣＤＭＡ（Wideband Code Division Multiple Access）通信方式に対応した携帯電話端末の構成を示す。また、本実施の形態におけるＧＳＭ通信方式は、８５０ＭＨｚ帯、９５０ＭＨｚ帯、１．８ＧＨｚ帯、１．９ＧＨｚ帯に対応している。また、携帯電話端末は、図８に示す構成以外にマイクロホン、スピーカー、液晶ディスプレイなどを備えているが、本実施の形態における説明では不要であるため図示を省略した。ここで、受信フィルタ７３ａ、送信フィルタ７３ｂ，７７〜８０は、本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を備えている。
【００５８】
まず、アンテナ７１を介して入力される受信信号は、その通信方式がＷ−ＣＤＭＡかＧＳＭかによってアンテナスイッチ回路７２で、動作の対象とするＬＳＩを選択する。入力される受信信号がＷ−ＣＤＭＡ通信方式に対応している場合は、受信信号をデュープレクサ７３に出力するように切り換える。デュープレクサ７３に入力される受信信号は、受信フィルタ７３ａで所定の周波数帯域に制限されて、バランス型の受信信号がＬＮＡ７４に出力される。ＬＮＡ７４は、入力される受信信号を増幅し、ＬＳＩ７６に出力する。ＬＳＩ７６では、入力される受信信号に基づいて音声信号への復調処理を行ったり、携帯電話端末内の各部を動作制御したりする。
【００５９】
一方、信号を送信する場合は、ＬＳＩ７６は送信信号を生成する。生成された送信信号は、パワーアンプ７５で増幅されて送信フィルタ７３ｂに入力される。送信フィルタ７３ｂは、入力される送信信号のうち所定の周波数帯域の信号のみを通過させる。送信フィルタ７３ｂから出力される送信信号は、アンテナスイッチ回路７２を介してアンテナ７１から外部に出力される。
【００６０】
また、入力される受信信号がＧＳＭ通信方式に対応した信号である場合は、アンテナスイッチ回路７２は、周波数帯域に応じて受信フィルタ７７〜８０のうちいずれか一つを選択し、受信信号を出力する。受信フィルタ７７〜８０のうちいずれか一つで帯域制限された受信信号は、ＬＳＩ８３に入力される。ＬＳＩ８３は、入力される受信信号に基づいて音声信号への復調処理を行ったり、携帯電話端末内の各部を動作制御したりする。一方、信号を送信する場合は、ＬＳＩ８３は送信信号を生成する。生成された送信信号は、パワーアンプ８１または８２で増幅されて、アンテナスイッチ回路７２を介してアンテナ７１から外部に出力される。
【００６１】
本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を通信装置に備えることで、下部電極の機械的強度と下部電極先端部での耐湿性の向上、および、圧電膜エッチング形状制御による共振特性が改善された通信装置を得ることができる。
【００６２】
なお、図８に示す通信装置は一例であり、少なくとも本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子を備えた通信装置であれば、他の構成を有する通信装置であっても本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
〔４．実施の形態の効果、他〕
本実施の形態によれば、付加パターン１０、１２を備えたことにより、下部電極２の機械的強度を向上することができるとともに、下部電極２の先端部２ａでの耐湿性を向上することができる。すなわち、下部電極２の保持部２ｂ側に配された付加パターン１０は、下部電極２の膜厚を部分的に厚くすることができるため、下部電極２の機械的強度を向上させることができる。
【００６４】
また、下部電極２の先端部２ａ側に配された付加パターン１０は、圧電膜３が犠牲層９に接しない配置にすることで、犠牲層９をエッチング液で除去する際に、エッチング液が圧電膜３を侵食することを防止することができる。また、外気、外部の湿気が圧電膜３に触れることを防止できるので、圧電膜３の品質の低下を防ぐことができる。
【００６５】
また、付加パターン１０の上にさらに付加パターン１２を備えることにより、下部電極２の保持部２ｂ近傍の膜厚をさらに厚くすることができるため、下部電極２の機械的強度を向上することができる。
【００６６】
また、圧電膜３の端面３ａのエッチング形状を制御して、端面３ａと基板１との角度βが略９０度になるように圧電膜３をエッチングすることができるため、共振特性を改善することができる。
【００６７】
また、下部電極２と基板１との間にドーム状の空隙６を備えたことにより、基板１の加工が施されていない平坦主面上に圧電薄膜共振子を形成するため、生産性向上とそれに伴う低コスト化が図れる。また、基板１に空隙を備えないため、基板１の機械的強度も図ることができる。
【００６８】
また、下部電極２と圧電膜３と上部電極４とを含む積層膜の応力は、圧縮応力である構成としたことにより、基板１の上に形成された積層膜と基板１の表面との間に再現性良く空隙６を形成することができ、空隙６が潰れることを抑制することができる。
【００６９】
また、共振部Ｒ１の形状は楕円形としたことにより、下部電極２及び上部電極４の端部や圧電膜３の外周で反射された弾性波が共振部Ｒ１内で横方向（基板１の表面の面方向）の定在波として存在することを抑制することができる。これにより、通過帯域内にリップルが発生することを抑制することができる。
【００７０】
また、共振部Ｒ１の形状は非平行からなる多角形としたことにより、下部電極２及び上部電極４の端部や圧電膜３の外周で反射された弾性波が共振部Ｒ１内で横方向の定在波として存在することを抑制することができる。これにより、通過帯域内にリップルが発生することを抑制することができる。
【００７１】
本実施の形態に関して、以下の付記を開示する。
【００７２】
（付記１）
基板と、
前記基板上に備わる下部電極と、
前記基板上および下部電極上に備わる圧電膜と、
前記圧電膜上に備わる上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域である共振部と重なる、前記下部電極と前記基板との間に備わる空隙とを備えた圧電薄膜共振子であって、
前記下部電極の上における、前記共振部と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターンを備えた、圧電薄膜共振子。
【００７３】
（付記２）
前記空隙は、ドーム形状である、付記１記載の圧電薄膜共振子。
【００７４】
（付記３）
前記空隙の端部と前記下部電極の先端部とは、平面形状が同一形状である、付記１記載の圧電薄膜共振子。
【００７５】
（付記４）
前記付加パターンは、誘電体材料で形成されている、付記１〜３の何れかに一項記載の圧電薄膜共振子。
【００７６】
（付記５）
前記付加パターンは、積層膜である、付記１〜４の何れかに一項記載の圧電薄膜共振子。
【００７７】
（付記６）
前記付加パターンは、
積層膜からなり、
前記積層膜の基板に接する最下層の材料が誘電体材料で形成され、前記積層膜の最上層の材料が圧電膜除去用エッチング液に対して可溶な材料で形成されている、付記１〜５の何れかに一項記載の圧電薄膜共振子。
【００７８】
（付記７）
前記下部電極、前記圧電膜、前記上部電極を含む積層膜の応力は、圧縮応力である、付記１〜６の何れか一項記載の圧電薄膜共振子。
【００７９】
（付記８）
前記共振部は、平面形状が楕円形である、付記１〜７の何れか一項記載の圧電薄膜共振子。
【００８０】
（付記９）
前記共振部は、非平行な線分で囲まれた多角形である、付記１〜７の何れか一項記載の圧電薄膜共振子。
【００８１】
（付記１０）
外部から前記空隙に通じる孔部を備えた、付記１〜９の何れか一項記載の圧電薄膜共振子。
【００８２】
（付記１１）
前記圧電膜は、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛を主成分とする材料である、付記１〜１０の何れか一項記載の圧電薄膜共振子。
【００８３】
（付記１２）
圧電薄膜共振子を備えた通信モジュールであって、
前記圧電薄膜共振子は、
基板と、
前記基板上に備わる下部電極と、
前記基板上および下部電極上に備わる圧電膜と、
前記圧電膜上に備わる上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域である共振部と重なる、前記下部電極と前記基板との間に備わる空隙とを備えた圧電薄膜共振子であって、
前記下部電極の上における、前記共振部と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターンを備えた、通信モジュール。
【００８４】
（付記１３）
圧電薄膜共振子を備えた通信装置であって、
前記圧電薄膜共振子は、
基板と、
前記基板上に備わる下部電極と、
前記基板上および下部電極上に備わる圧電膜と、
前記圧電膜上に備わる上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域である共振部と重なる、前記下部電極と前記基板との間に備わる空隙とを備えた圧電薄膜共振子であって、
前記下部電極の上における、前記共振部と非共振部との境界部分を含む位置に付加パターンを備えた、通信装置。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本願は、圧電薄膜共振子、フィルタ、デュープレクサ、通信モジュール、通信装置に有用である。
【符号の説明】
【００８６】
１  基板
２  下部電極
３  圧電膜
４  上部電極
６  空隙
１０、１２  付加パターン
１１  エッチング液導入孔
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2011091639.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2011091639.tif 000006
【図２Ｃ】
2011091639.tif 000007
【図２Ｄ】
2011091639.tif 000008
【図２Ｅ】
2011091639.tif 000009
【図３Ａ】
2011091639.tif 000010
【図３Ｂ】
2011091639.tif 000011
【図３Ｃ】
2011091639.tif 000012
【図４Ａ】
2011091639.tif 000013
【図４Ｂ】
2011091639.tif 000014
【図５】
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【図６】
2011091639.tif 000016
【図７】
2011091639.tif 000017
【図８】
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