(57)【要約】【課題】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。【解決手段】基板１０と、前記基板上に設けられた圧電膜１４と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極１２および上部電極１６と、前記圧電膜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５０内の前記圧電膜中に挿入され、前記共振領域内の外周領域５２の少なくとも一部が前記共振領域の中央領域５４より厚い挿入膜２８と、を具備する圧電薄膜共振器。【選択図】図１
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【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圧電膜と、
前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、
前記圧電膜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内の前記圧電膜中に挿入され、前記共振領域内の外周領域の少なくとも一部が前記共振領域の中央領域より厚い挿入膜と、
を具備することを特徴とする圧電薄膜共振器。
【請求項２】
前記中央領域内の前記挿入膜の弾性定数の温度係数は前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号であることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振器。
【請求項３】
前記外周領域内の前記挿入膜は、前記圧電膜のヤング率より小さい膜を含むことを特徴とする請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
【請求項４】
前記挿入膜は、酸化シリコンを主成分とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項５】
前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項６】
前記共振領域において、前記基板と前記下部電極または前記下部電極に接する絶縁膜との間に空隙が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項７】
前記共振領域において、前記下部電極の前記圧電膜とは反対側に前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を含むことを特徴とするフィルタ。
【請求項９】
送信フィルタと受信フィルタとを具備し、
前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方が請求項８記載のフィルタであることを特徴とするデュプレクサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサに関し、例えば圧電膜内に挿入膜を備える圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサに関する。
【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デュ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構造を有している。
【０００３】
圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスとして、例えばフィルタおよびデュプレクサがある。これら弾性波デバイスにおいては、共振周波数、反共振周波数または通過帯域等の周波数が温度により変化する。これらの温度変化を補償する技術として、圧電膜内に温度補償膜を設ける技術が知られている（例えば特許文献１および非特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−４８６９４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Proc. IEEE Ultrasonics Symposium 2009, pp859-862
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、圧電膜内に温度補償膜を設けるとＱ値および／または電気機械結合係数といった共振特性が低下する。例えば、Ｑ値が低下すると、フィルタやデュプレクサのスカート特性の急峻性が低下する。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記圧電膜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内の前記圧電膜中に挿入され、前記共振領域内の外周領域の少なくとも一部が前記共振領域の中央領域より厚い挿入膜と、を具備することを特徴とする圧電薄膜共振器である。
【０００９】
上記構成において、前記中央領域内の前記挿入膜の弾性定数の温度係数は前記圧電膜の弾性定数の温度係数とは逆符号である構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記外周領域内の前記挿入膜は、前記圧電膜のヤング率より小さい膜を含む構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記挿入膜は、酸化シリコンを主成分とする構成とすることができる。
【００１２】
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する構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記共振領域において、前記基板と前記下部電極または前記下部電極に接する絶縁膜との間に空隙が形成されている構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記共振領域において、前記下部電極の前記圧電膜とは反対側に前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備する構成とすることができる。
【００１５】
本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むことを特徴とするフィルタである。
【００１６】
本発明は、送信フィルタと受信フィルタとを具備し、前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方が上記フィルタであることを特徴とするデュプレクサである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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、挿入膜の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る直列共振器の製造方法を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｇ）は、実施例１における挿入膜の形成方法を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例１および比較例１における幅Ｗに対するそれぞれ共振点のＱ値Ｑｒ、反共振点のＱ値Ｑａ、実効的電気機械結合係数Ｋｅｆｆ２、およびＦＯＭのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図５（ｂ）は、挿入膜の平面図、図５（ｃ）および図５（ｄ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図６（ａ）から図６（ｅ）は、実施例２における挿入膜の形成方法を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）から図７（ｅ）は、他の挿入膜の形成方法を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）から図８（ｄ）は、実施例２および比較例２における幅Ｗに対するそれぞれ共振点のＱ値Ｑｒ、反共振点のＱ値Ｑａ、実効的電気機械結合係数Ｋｅｆｆ２、およびＦＯＭのシミュレーション結果を示す図である。
【図９】図９（ａ）は、比較例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図９（ｂ）は、挿入膜の平面図、図９（ｃ）および図９（ｄ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、ヤング率に対する反共振点のＱ値、図１０（ｂ）は、ヤング率に対する実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２を示す図である。
【図１１】図１１（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の断面図、図１１（ｂ）は、実施例３の変形例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。
【図１２】図１２は、実施例４に係るデュプレクサの回路図である。
【図１３】図１３（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１４】図１４は、送信フィルタにおける挿入膜の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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】
【００２０】
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、挿入膜の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１（ｄ）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。
【００２１】
図１（ａ）および図１（ｃ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。シリコン（Ｓｉ）基板である基板１０上に、下部電極１２が設けられている。基板１０の平坦主面と下部電極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。下部電極１２は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａは例えばＣｒ（クロム）膜であり、上層１２ｂは例えばＲｕ（ルテニウム）膜である。
【００２２】
下部電極１２上に、（００２）方向を主軸と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。共振領域５０内の圧電膜１４内に挿入膜２８が設けられている。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向のほぼ中央に設けられている。挿入膜２８が設けられるのは、膜厚方向の中央でなくともよいが、中央に設けることにより、挿入膜としての機能をより発揮する。
【００２３】
挿入膜２８は、薄膜部２８ａおよび厚膜部２８ｂを備えている。厚膜部２８ｂは薄膜部２８ａより厚い。薄膜部２８ａは、共振領域５０の中央領域５４に設けられている。厚膜部２８ｂは、共振領域５０内の外周領域５２の少なくとも一部に設けられている。薄膜部２８ａと厚膜部２８ｂとは連続して設けられている。外周領域５２は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の外周を含み外周に沿った領域である。外周領域５２は、例えば帯状およびリング状である。中央領域５４は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の中央を含む領域である。中央は幾何学的な中心でなくてもよい。挿入膜２８は、外周領域５２に加え共振領域５０を囲む領域５６に設けられている。挿入膜２８は、外周領域５２から共振領域５０外まで連続して設けられている。
【００２４】
圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域５０）を有するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。共振領域５０は、楕円形状を有し、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａは例えばＲｕ膜であり、上層１６ｂは例えばＣｒ膜である。
【００２５】
上部電極１６上には周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が形成されている。共振領域５０内の積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜２８、上部電極１６および周波数調整膜２４を含む。周波数調整膜２４はパッシベーション膜として機能してもよい。
【００２６】
図１（ａ）のように、下部電極１２には犠牲層をエッチングするための導入路３３が形成されている。犠牲層は空隙３０を形成するための層である。導入路３３の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路３３の先端に孔部３５を有する。
【００２７】
図１（ａ）および図１（ｄ）を参照し、並列共振器Ｐの構造について説明する。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。質量負荷膜２０は、例えばＴｉ（チタン）膜である。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。その他の構成は直列共振器Ｓの図１（ｃ）と同じであり説明を省略する。
【００２８】
直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差は、質量負荷膜２０の膜厚を用い調整する。直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜２４の膜厚を調整することにより行なう。
【００２９】
１．７ＧＨｚの共振周波数を有し、共振周波数の温度特性が−１０ｐｐｍ／℃である圧電薄膜共振器の場合、下部電極１２の下層１２ａはＣｒ膜であり、下層１２ａの膜厚は１００ｎｍである。下部電極１２の上層１２ｂはＲｕ膜であり、上層１２ｂの膜厚は２００ｎｍである。圧電膜１４はＡｌＮ膜であり、圧電膜１４の膜厚は１２６０ｎｍである。挿入膜２８は酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜であり、薄膜部２８ａの膜厚は９０ｎｍ，厚膜部２８ｂの膜厚は２４０ｎｍである。上部電極１６の下層１６ａはＲｕ膜であり、下層１６ａの膜厚は２３０ｎｍ、上部電極１６の上層１６ｂはＣｒ膜であり、上層１６ｂの膜厚は５０ｎｍである。周波数調整膜２４は酸化シリコン膜であり、周波数調整膜２４の膜厚は５０ｎｍである。質量負荷膜２０はＴｉ膜であり、質量負荷膜２０の膜厚は１２０ｎｍである。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。
【００３０】
基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、石英基板、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、ＲｕおよびＣｒ以外にもＡｌ（アルミニウム）、Ｔｉ、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）またはＩｒ（イリジウム）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。例えば、上部電極１６の下層１６ａをＲｕ膜、上層１６ｂをＭｏ膜としてもよい。圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰｂＴｉＯ3（チタン酸鉛）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Ｓｃ（スカンジウム）を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上するため、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。
【００３１】
挿入膜２８の薄膜部２８ａは、圧電膜１４の弾性定数の温度係数とは逆符号の弾性定数の温度係数を有する。これにより、共振周波数等の温度係数を０に近づけることができる。薄膜部２８ａは、例えば酸化シリコンまたは窒化シリコン等の絶縁膜を用いることができる。挿入膜２８の厚膜部２８ｂは、圧電膜１４よりヤング率の小さい材料の膜を含む。詳細は後述する。
【００３２】
周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも窒化シリコン膜または窒化アルミニウム等を用いることができる。質量負荷膜２０としては、Ｔｉ以外にも、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＩｒ等の単層膜を用いることができる。また、例えば窒化シリコンまたは酸化シリコン等の窒化金属または酸化金属からなる絶縁膜を用いることもできる。質量負荷膜２０は、上部電極１６の層間以外にも、下部電極１２の下、下部電極１２の層間、上部電極１６の上、下部電極１２と圧電膜１４との間または圧電膜１４と上部電極１６との間に形成することができる。質量負荷膜２０は、共振領域５０を含むように形成されていれば、共振領域５０より大きくてもよい。
【００３３】
図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る直列共振器の製造方法を示す断面図である。図２（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を形成する。犠牲層３８の膜厚は、例えば１０〜１００ｎｍであり、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｇｅまたは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技術およびエッチング技術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として下層１２ａおよび上層１２ｂを形成する。犠牲層３８および下部電極１２は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜される。その後、下部電極１２を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術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。
【００３４】
図２（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および挿入膜２８を、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。挿入膜２８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。挿入膜２８は、リフトオフ法により形成してもよい。厚膜部２８ｂが薄膜部２８ａより厚くなるように、挿入膜２８を形成する。
【００３５】
図２（ｃ）に示すように、上部圧電膜１４ｂ、上部電極１６の下層１６ａおよび上層１６ｂを、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂから圧電膜１４が形成される。上部電極１６を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。上部電極１６は、リフトオフ法により形成してもよい。
【００３６】
なお、図１（ｄ）に示す並列共振器においては、上部電極１６の下層１６ａを形成した後に、質量負荷膜２０を、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。質量負荷膜２０をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。その後、上部電極１６の上層１６ｂを形成する。
【００３７】
周波数調整膜２４を例えばスパッタリング法またはＣＶＤ法を用い形成する。フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い周波数調整膜２４を所望の形状にパターニングする。
【００３８】
その後、孔部３５および導入路３３（図１（ａ）参照）を介し、犠牲層３８のエッチング液を下部電極１２の下の犠牲層３８に導入する。これにより、犠牲層３８が除去される。犠牲層３８をエッチングする媒体としては、犠牲層３８以外の共振器を構成する材料をエッチングしない媒体であることが好ましい。特に、エッチング媒体は、エッチング媒体が接触する下部電極１２がエッチングされない媒体であることが好ましい。積層膜１８（図１（ｃ）、図１（ｄ）参照）の応力を圧縮応力となるように設定しておく。これにより、犠牲層３８が除去されると、積層膜１８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。以上により、図１（ａ）および図１（ｃ）に示した直列共振器Ｓ、および図１（ａ）および１（ｄ）に示した並列共振器Ｐが作製される。
【００３９】
図３（ａ）から図３（ｇ）は、実施例１における挿入膜の形成方法を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、下部圧電膜１４ａ上に挿入膜となる膜４４を形成する。膜４４は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜される。図３（ｂ）に示すように、膜４４の共振領域５０となる領域の内側の薄膜部となる領域をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い薄膜化する。これにより、膜４４に凹部４５が形成される。図３（ｃ）に示すように、膜４４をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い共振領域５０より大きくパターンニングする。これにより、膜４４から挿入膜２８が形成される。凹部４５の領域が薄膜部２８ａとなり、凹部４５以外の領域が厚膜部２８ｂとなる。
【００４０】
次に、挿入膜２８を形成する別の方法を説明する。図３（ｄ）に示すように、下部圧電膜１４ａ上に挿入膜の下膜４４ａを形成する。下膜４４ａは、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜される。図３（ｅ）に示すように、下膜４４ａのうち薄膜部となる領域４５ａを、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い除去する。これにより、下膜４４ａに開口を形成する。開口を有する下膜４４ａは、リフトオフ法を用い形成してもよい。図３（ｆ）に示すように、下膜４４ａおよび開口上に、上膜４４ｂを形成する。上膜４４ｂは、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜される。下膜４４ａと上膜４４ｂとから挿入膜となる膜４４が形成される。図３（ｇ）に示すように、膜４４をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターンニングする。これにより、膜４４から挿入膜２８が形成される。領域４５ａが薄膜部２８ａとなり、領域４５ａ以外の領域が厚膜部２８ｂとなる。
【００４１】
図３（ａ）から図３（ｃ）の挿入膜形成方法は、図３（ｄ）から図３（ｇ）の挿入膜形成方法に比べ、製造工数を削減できる。一方、図３（ｄ）から図３（ｇ）の挿入膜形成方法は、図３（ａ）から図３（ｃ）の挿入膜形成方法に比べ、薄膜部２８ａの膜厚の精度を高めることができる。また、下膜４４ａと上膜４４ｂとの材料を異ならせることができる。例えば、下膜４４ａを圧電膜１４よりヤング率が高い材料とし、上膜４４ｂを圧電膜１４の弾性定数の温度係数とは逆の弾性定数の温度係数を有する材料とすることができる。
【００４２】
挿入膜２８に厚膜部２８ｂを設ける効果を確認するため有限要素法を用いシミュレーションを行なった。有限要素法は、図１（ｃ）のような断面の２次元解析により行なった。積層膜１８の各膜厚および材料は図１（ａ）から図１（ｄ）の１．７ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器として例示したものとした。すなわち、圧電膜１４をＡｌＮとした。挿入膜２８を酸化シリコン膜とし、薄膜部２８ａの膜厚を９０ｎｍ、厚膜部２８ｂの膜厚を２４０ｎｍとした。共振領域５０と厚膜部２８ｂとの重なる幅Ｗを０μｍ、３μｍ、４μｍ、または５μｍとした。幅Ｗが０μｍは比較例１を示す。比較例１では、挿入膜２８が厚膜部２８ｂを含まず。挿入膜２８は、全て薄膜部２８ａとしている。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向の中間位置に設けられているとした。
【００４３】
図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例１および比較例１における幅Ｗに対するそれぞれ共振点のＱ値Ｑｒ、反共振点のＱ値Ｑａ、実効的電気機械結合係数Ｋｅｆｆ２、およびＦＯＭのシミュレーション結果を示す図である。ＦＯＭは、実効的電気機械結合係数Ｋｅｆｆ２×√（共振点のＱ値Ｑｒ×反共振点のＱ値Ｑａ）から導出される。
【００４４】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、厚膜部２８ｂを設けることにより、共振点および反共振点のＱ値が向上する。これは以下の理由による。すなわち、外周領域５２にヤング率が小さい厚膜部２８ｂが設けられることにより、共振領域５０の外周領域５２において弾性波の振動が小さくなる。これにより、共振領域５０の外周が固定端として弾性波が固定端反射される。よって、弾性波のエネルギーが共振領域５０の外に漏れることを抑制する。これにより、Ｑ値が高くなる。
【００４５】
図４（ｃ）に示すように、厚膜部２８ｂを設けることにより、実効的電気機械結合係数が低下する。しかしながら、図４（ｄ）に示すように、厚膜部２８ｂを設けることにより、ＦＯＭが向上する。このように、外周領域５２に厚膜部２８ｂを設けることにより、Ｑ値およびＦＯＭを向上できる。
【実施例２】
【００４６】
図５（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図５（ｂ）は、挿入膜の平面図、図５（ｃ）および図５（ｄ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図５（ｄ）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。
【００４７】
図５（ａ）から図５（ｄ）に示すように、挿入膜２８の厚膜部２８ｂの外側に薄膜部２８ａが形成されている。このように、挿入膜２８が、共振領域５０の外側に連続して形成されている。挿入膜２８に孔部３５に連通する孔３４が形成されている。その他の構成は、実施例１の図１（ａ）から図１（ｄ）と同じであり説明を省略する。
【００４８】
図６（ａ）から図６（ｅ）は、実施例２における挿入膜の形成方法を示す断面図である。図６（ａ）に示すように、下部圧電膜１４ａ上に挿入膜となる膜４４を形成する。図６（ｂ）に示すように、膜４４のうち共振領域５０となる領域の内側および外側の薄膜部２８ａとなる領域を薄膜化する。これにより、膜４４に凹部４５が形成される。凹部４５が薄膜部２８ａとなり、凹部４５以外が厚膜部２８ｂとなる。
【００４９】
次に、挿入膜２８を形成する別の方法を説明する。図６（ｃ）に示すように、下部圧電膜１４ａ上に挿入膜の下膜４４ａを形成する。図６（ｄ）に示すように、下膜４４ａのうち薄膜部となる領域４５ａを除去する。図６（ｅ）に示すように、下膜４４ａおよび下部圧電膜１４ａ上に、上膜４４ｂを形成する。下膜４４ａと上膜４４ｂとから挿入膜２８となる膜４４が形成される。領域４５ａが薄膜部２８ａとなり、領域４５ａ以外が厚膜部２８ｂとなる。その他の挿入膜の形成方法は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００５０】
図７（ａ）から図７（ｅ）は、他の挿入膜の形成方法を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、下部圧電膜１４ａ上に挿入膜となる膜４４を形成する。図７（ｂ）に示すように、膜４４のうち共振領域５０となる領域の内側の薄膜部２８ａとなる領域を薄膜化する。膜４４のうち共振領域５０の外側は薄膜化しない。これにより、膜４４に凹部４５が形成される。凹部４５が薄膜部２８ａとなり、凹部４５以外が厚膜部２８ｂとなる。
【００５１】
次に、挿入膜２８を形成する別の方法を説明する。図７（ｃ）に示すように、下部圧電膜１４ａ上に挿入膜の下膜４４ａを形成する。図７（ｄ）に示すように、下膜４４ａのうち薄膜部となる領域４５ａを除去する。図７（ｅ）に示すように、下膜４４ａおよび下部圧電膜１４ａ上に、上膜４４ｂを形成する。下膜４４ａと上膜４４ｂとから挿入膜２８となる膜４４が形成される。領域４５ａが薄膜部２８ａとなり、領域４５ａが厚膜部２８となる。その他の挿入膜の形成方法は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００５２】
図７（ａ）から図７（ｅ）のように、共振領域５０の外側には薄膜部を設けなくてもよい。
【００５３】
実施例２について、実施例１の図４（ａ）から図４（ｄ）と同様に、シミュレーションを行なった。図８（ａ）から図８（ｄ）は、実施例２および比較例２における幅Ｗに対するそれぞれ共振点のＱ値Ｑｒ、反共振点のＱ値Ｑａ、実効的電気機械結合係数Ｋｅｆｆ２、およびＦＯＭのシミュレーション結果を示す図である。比較例２では、挿入膜２８が厚膜部２８ｂを含まず。挿入膜２８は、全て薄膜部２８ａとしている。
【００５４】
図８（ａ）から図８（ｄ）に示すように、厚膜部２８ｂを設けることにより、実効的電気機械結合係数は若干低下するものの、共振点および反共振点のＱ値、並びにＦＯＭが向上する。このように、外周領域５２に厚膜部２８ｂを設けることにより、Ｑ値およびＦＯＭを向上できる。
【００５５】
厚膜部２８ｂの好ましい材料を調べるため、中央領域５４に挿入膜２８が形成されていない比較例３について、シミュレーションを行なった。図９（ａ）は、比較例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図９（ｂ）は、挿入膜の平面図、図９（ｃ）および図９（ｄ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００５６】
図９（ａ）から図９（ｄ）に示すように、中央領域５４に挿入膜２８が形成されていない。挿入膜２８に厚膜部２８ｂが形成されておらず、同じ膜厚である。その他の構成は、実施例２の図５（ａ）から図５（ｄ）と同じであり説明を省略する。
【００５７】
比較例３について、挿入膜２８の材料を変え、反共振点のＱ値について有限要素法を用いシミュレーションした。有限要素法は、図９（ｃ）のような断面の２次元解析により行なった。積層膜１８の各膜厚および材料は以下である。
【００５８】
下部電極１２の下層１２ａはＣｒ膜であり、下層１２ａの膜厚は１００ｎｍである。下部電極１２の上層１２ｂはＲｕ膜であり、上層１２ｂの膜厚は２５０ｎｍである。圧電膜１４はＡｌＮ膜であり、圧電膜１４の膜厚は１１００ｎｍである。下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂの膜厚はそれぞれ５５０ｎｍである。上部電極１６の下層１６ａはＲｕ膜であり、下層１６ａの膜厚は２５０ｎｍ、上部電極１６の上層１６ｂはＣｒ膜であり、上層１６ｂの膜厚は５０ｎｍである。周波数調整膜２４は酸化シリコン膜であり、周波数調整膜２４の膜厚は５０ｎｍである。挿入膜２８の膜厚を１５０ｎｍのとし、共振領域５０と挿入膜２８との重なる幅Ｗを２μｍとした。挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向の中間位置に設けられているとした。
【００５９】
図１０（ａ）は、ヤング率に対する反共振点のＱ値、図１０（ｂ）は、ヤング率に対する実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２を示す図である。比較例３は、挿入膜２８を設けない共振器に対応する。挿入膜２８の材料として、Ａｌ、ＳｉＯ２、Ｔｉ、Ｃｒ，ＡｌＮ、ＲｕおよびＷについて計算した。
【００６０】
図１０（ａ）を参照し、ヤング率が小さい材料を挿入膜２８とすることにより反共振点のＱ値が高くなる。ヤング率がＡｌＮより小さくなると、Ｑ値が比較例３より高くなる。これは、外周領域５２の挿入膜２８が弾性波のエネルギーが共振領域５０の外に漏れることを抑制する。
【００６１】
図１０（ｂ）を参照し、実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ２は、挿入膜２８を金属とすると高くなる。挿入膜２８を金属とすることにより共振領域５０における弾性波の電界分布が揃うためと推測される。
【００６２】
実施例１および２によれば、挿入膜２８は、共振領域５０内の圧電膜１４中に挿入され、共振領域５０内の外周領域５２が共振領域５０の中央領域５４より厚い。共振領域５０内の圧電膜１４内に挿入膜２８を挿入すると共振特性の温度変化を抑制できる。しかしながら、圧電膜１４内に圧電膜でない膜を挿入するため、Ｑ値等の共振特性が劣化する。そこで、外周領域５２の挿入膜２８を厚くする。これにより、共振領域５０内の弾性波が共振領域５０外に漏洩することを抑制できる。よって、Ｑ値およびＦＯＭ等の共振特性を向上できる。
【００６３】
中央領域５４内の挿入膜２８の弾性定数の温度係数は圧電膜１４の弾性定数の温度係数とは逆符号であることが好ましい。これにより、共振特性の温度係数を０に近づけることができる。中央領域５４の挿入膜２８（薄膜部２８ａ）のは、共振特性の温度特性が抑制できるように設定することができる。
【００６４】
また、外周領域５２内の挿入膜２８（厚膜部２８ｂ）は、圧電膜１４のヤング率より小さい膜を含むことが好ましい。これにより、図４（ａ）から図４（ｄ）および図８（ａ）から図８（ｄ）のように、弾性波が共振領域５０外に漏洩することを抑制し、共振特性の低下を抑制することができる。
【００６５】
図１０（ａ）のように、圧電膜１４よりヤング率の小さい膜としては、Ａｌ、ＳｉＯ２、Ｔｉ、Ｃｒ，ＡｌＮ、ＲｕおよびＷが好ましい。この膜のヤング率は、圧電膜１４のヤング率の９０％以下がより好ましく、８０％以下がより好ましい。
【００６６】
図１０（ｂ）のように、実効的電気機械結合係数を向上させるため、ヤング率の小さい膜としては金属膜が好ましい。薄膜部２８ａと厚膜部２８ｂとの材料を共通化させるためには、挿入膜２８は酸化シリコンを主成分とすることが好ましい。挿入膜２８には、主成分である酸化シリコン以外に、他の元素が含まれていてもよく、例えば温度特性改善のためフッ素が含まれていてもよい。
【００６７】
共振領域５０内における厚膜部２８ｂの幅Ｗは、共振特性を低下させないため、圧電薄膜共振器の厚み縦振動の弾性波の波長λの２．５倍以下が好ましく、２．０倍以下がより好ましく、１．４倍以下がさらに好ましい。また、幅Ｗは、波長λの０.３倍以上が好ましい。
【００６８】
共振領域５０内における厚膜部２８ｂの膜厚は、共振特性を低下させないため、共振領域５０内の中央領域５４における積層膜の膜厚の０．２倍以下が好ましく、０．１５倍以下がより好ましく、０．１以下がさらに好ましく、０．０３以上であることが好ましい。
【００６９】
実施例１のように、挿入膜２８は、共振領域５０内とその周辺領域５６のみに形成されていてもよい。実施例２のように、挿入膜２８は、共振領域５０内と共振領域５０外全体に形成されていてもよい。共振領域５０外の挿入膜２８の膜厚は薄膜部２８ａと同じでもよく、厚膜部２８ｂと同じでもよく、薄膜部２８ａとの厚膜部２８ｂとは異なる膜厚でもよい。共振領域５０外に挿入膜２８が設けられていなくてもよい。厚膜部２８ｂは、外周領域５２の一部に設けられていてもよい。弾性波の共振領域５０外への漏洩を抑制するため、外周領域５２のほぼ全てに厚膜部２８ｂが設けられていることが好ましい。製造工程簡略化の観点から薄膜部２８ａ内の膜厚は一定であり、厚膜部２８ｂ内の膜厚は一定であることが好ましい。薄膜部２８ａ内の膜厚は一定でなくてもよく、厚膜部２８ｂ内の膜厚は一定でなくてもよい。
【実施例３】
【００７０】
実施例３は、空隙の構成を変えた例である。図１１（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の断面図、図１１（ｂ）は、実施例３の変形例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、共振領域５０の積層膜１８はドーム状ではなく、平坦である。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。空隙３０は共振領域５０を含むように形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。空隙３０は、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。なお、下部電極１２の下面に絶縁膜が接して形成されていてもよい。すなわち、空隙３０は、基板１０と下部電極１２に接する絶縁膜との間に形成されていてもよい。絶縁膜としては、例えば窒化アルミニウム膜を用いることができる。
【００７１】
図１１（ｂ）に示すように、共振領域５０の積層膜１８はドーム状ではなく、平坦である。共振領域５０の下部電極１２の圧電膜１４とは反対側に音響反射膜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３０ａと音響インピーダンスの高い膜３０ｂとが交互に設けられている。膜３０ａおよび３０ｂの膜厚は例えばそれぞれλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３０ａと膜３０ｂの積層数は任意に設定できる。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
【００７２】
なお、実施例３およびその変形例において、実施例２と同様に共振領域５０外に挿入膜２８が設けられていてもよい。また、挿入膜２８は共振領域５０外に設けられていなくてもよい。
【００７３】
実施例１から３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３の変形例のように、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。
【００７４】
実施例１から実施例３およびその変形例において、共振領域５０が楕円形状の例を説明したが、他の形状でもよい。例えば、共振領域５０は、四角形または五角形等の多角形でもよい。
【実施例４】
【００７５】
実施例４はデュプレクサの例である。図１２は、実施例４に係るデュプレクサの回路図である。図１２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。
【００７６】
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から３および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
【００７７】
図１３（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１４は、挿入膜の平面図である。図１３（ａ）、図１３（ｂ）および図１４に示すように、実施例２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（上部圧電膜および下部圧電膜）に開口３６が形成され、挿入膜２８に開口３７が設けられている。開口３６および３７を介し下部電極１２と電気的に接続することができる。共振領域５０の中央領域５４には、挿入膜２８として薄膜部２８ａが形成され、外周領域５２には、挿入膜２８として厚膜部２８ｂが形成されている。その他の構成は、実施例２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。
【００７８】
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３および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
【００７９】
フィルタが実施例１から３および変形例の圧電薄膜共振器を含む。これにより、共振器の共振特性の温度変化が抑制でき、フィルタの通過帯域等の周波数特性の温度変化を抑制できる。また、共振器のＱ値が向上し、フィルタのスカート特性を向上できる。
【００８０】
また、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例１から３および変形例の圧電薄膜共振器を含むフィルタとすることができる。
【００８１】
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】
【００８２】
１０      基板
１２      下部電極
１４      圧電膜
１６      上部電極
２８      挿入膜
２８ａ    薄膜部
２８ｂ    厚膜部
３０      空隙
３１      音響反射膜
５０      共振領域
５２      外周領域
５４      中央領域
５８      切欠き
【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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