(57)【要約】【課題】  横モードの波による悪影響を抑制しつつ、十分なメンブレン部の強度と良好な空隙の製造性を有した構造を採用することにより、特性ばらつきの少ない圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタを提供すること。【解決手段】  基板と、該基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極とを含む圧電薄膜共振子において、  前記上部電極と前記下部電極の対向する部位の形状が楕円形であり、該楕円形の主軸の長さをａ、副軸の長さをｂとした時、１＜ａ／ｂ＜１．９を満たすように構成した。【選択図】          図１
2005124107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極とを含む圧電薄膜共振子において、
前記上部電極と前記下部電極の対向する部位の形状が楕円形であり、該楕円形の主軸の長さをａ、副軸の長さをｂとした時、１＜ａ／ｂ＜１．９を満たしていることを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項２】
基板と、該基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極とを含み、かつ前記上部電極と前記下部電極が対向する部位の該下部電極の下側に空隙を有した圧電薄膜共振子において、
前記上部電極と前記下部電極の対向する部位及び前記基板の面に平行な方向における前記空隙の断面形状が楕円形であり、該楕円形の主軸の長さをａ、副軸の長さをｂとした時、１＜ａ／ｂ＜１．９を満たしていることを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項３】
前記空隙の副軸の長さをｂ´とした時、該空隙と該下部電極とのサイズ関係は、０．９＜ｂ´／ｂ＜１．５を満たしていることを特徴とする請求項２に記載の圧電薄膜共振子。
【請求項４】
前記楕円形の主軸又は副軸が電流の向きと略平行になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電薄膜共振子。
【請求項５】
電流の向きと垂直な前記楕円形の軸から電流の向きと平行に両方向を見た時、少なくとも副軸の長さｂの半分の範囲内において、上部電極と下部電極が略対称な形状になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電薄膜共振子。
【請求項６】
基板と、該基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極とを含む圧電薄膜共振子において、
前記上部電極と前記下部電極の対向する楕円形状の部位から外に伸びる上部電極及び／又は下部電極の引き出し部は、主軸又は副軸の長さを超える幅を有することを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項７】
前記引き出し部は、前記楕円形状の部位から離れるにつれて幅が太くなる部分を有することを特徴とする請求項６記載の圧電薄膜共振子。
【請求項８】
基板と、該基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極とを主要構成要素として備え、かつ該上部電極と該下部電極が対向する部位の該下部電極の下側に空隙を有した圧電薄膜共振子において、
前記上部電極と前記下部電極が対向するメンブレン部は前記空隙と反対側に膨らんでおり、前記メンブレン部の基板表面からの最大高さは該メンブレン部の厚みの１．５倍以上であることを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項９】
圧電薄膜共振子を複数組み合わせたフィルタであって、該圧電薄膜共振子の少なくとも１つは請求項１から８のいずれかに記載された圧電薄膜共振子からなっていることを特徴とするフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタに関する。
【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及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。これまで主に誘電体とＳＡＷが使用されてきたが、最近、特に高周波での特性が良好で、小型化、モノリシック化が可能な素子として、圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタが注目されつつある。
【０００３】
圧電薄膜共振子の中には、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプとＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)タイプがある。前者は、基板上に、主要構成要素として、上部電極／圧電膜／下部電極の構造を有し、上部電極と下部電極が対向する部分の下部電極下に空隙が形成されている。ここで、空隙は、Ｓｉ基板表面に設けた犠牲層のウェットエッチング、あるいはＳｉ基板裏面からのウェット、又はドライエッチング等により形成される。なお、これ以降、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をメンブレン部と呼ぶ。また、後者は上記の空隙の代わりに、音響インピーダンスが高い膜と低い膜を交互にλ/４（λ：弾性波の波長）の膜厚で積層し音響反射膜として利用する構造のものである。いま、上部電極と下部電極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、厚み方向の主変位を持つ厚み縦振動波となる。この構造では、メンブレン部の合計膜厚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、あるいはフィルタが作製される。
【０００４】
ここで、電極としては、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）等を用いることができる。圧電膜としては、窒化アルミニウム（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。また、基板としては、シリコン、ガラス等を用いることができる。
【０００５】
ところが、上述した圧電薄膜共振子では厚み縦振動波の他に、電極面に平行に伝搬し、電極又は空隙の端部で反射する横モードの不要な波が励起される。この結果、共振子のインピーダンス特性に不要スプリアスが生じたり、フィルタの通過帯域にリップルが発生したりするため、応用上問題になる。こうした横モードの波による悪影響を抑制するために、特許文献１や特許文献２には、如何なる二辺も互いに平行させない非方形の不規則な多角形の電極を有する圧電薄膜共振子が開示されている。この圧電薄膜共振子では任意の点から反射した横モードの波が対向する点で反射する際、今通ってきた方向とは異なる方向に反射し、横モードの波が共振することがないため、効果的に上記問題を克服できる。また、同じ課題を克服するために、特許文献３には、主軸の長さをａ、副軸の長さをｂとしたとき、１．９＜ａ／ｂ＜５．０である楕円形の上部電極を有する圧電薄膜共振子が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】米国特許６、１５０、７０３号公報
【特許文献２】米国特許６、２１５、３７５号公報
【特許文献３】特開２００３−１３３８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の各公知例の構造は上記課題の克服に対しては確かに有効であるが、こうした構造にすることで逆にメンブレン部の強度、あるいは空隙の製造性は悪化することを下記に示す。メンブレン部の所望厚さは材料の音速に依存するが、９００ＭＨｚ〜５ＧＨｚの無線システムではおおよそ０．５〜３μｍと非常に薄い。よって、不意の外力により容易にメンブレンが破壊されるため、メンブレンの強度を上げるための技術が重要になる。
【０００８】
１つの手段として、成膜時の各膜の内部応力を低減することで、内部応力によるメンブレンの破壊を低減することが行われる。しかしながら、本発明者の検討により、圧電膜には圧縮応力が加わっている方が圧電性が向上し、電気機械結合係数(k2)の大きな共振特性が得られることがわかった。そこで、こうした圧縮応力を有したメンブレンにおいても、所望の強度を有するメンブレンを作製する技術があれば非常に有効である。その有効な手段の１つが、なるべくメンブレンに均等に応力がかかるような、また、同じ内部応力でも破壊しにくい構造設計を行うことである。残念ながら、上記の公知例ではいずれも対称性が崩れた構造になっているため、メンブレンに加わる力が均等でなく、メンブレンがいびつに歪みやすく、破壊しやすい構造になっている。この結果、共振特性あるいはフィルタ特性のばらつきが大きいといった深刻な事態を招く。
【０００９】
また、空隙サイズは、励振部となる上部電極と下部電極の対向する部位の形状と同形状かつ似たサイズにするのが好ましい。空隙サイズが上部電極と下部電極の対向する部位に対し大きすぎる場合は、メンブレンが破壊しやすくなるため好ましくない。しかしながら、このような好ましい形状の空隙を形成しようとすると、上記特許文献１や特許文献２では角があること、上記特許文献３では、主軸の長さをａ、副軸の長さをｂとしたとき、１．９＜ａ／ｂ＜５．０と歪みが大きい楕円形であることから、空隙の製造性が良くない。つまり、空隙内部の尖った部位のエッチング速度がかなり遅くなってしまうことが原因で、所望の空隙形状が得られないといった問題が発生する。さらに、上記特許文献３では、上部電極に対して下部電極がかなり大きいため、上部電極の引き出し部と下部電極間に浮遊容量が発生することにより電気機械結合係数（Ｋ2）が劣化する等の問題も生じる。
【００１０】
本発明の目的は、横モードの波による悪影響を抑制しつつ、十分なメンブレン部の強度と良好な空隙の製造性を有した構造を採用することにより、特性ばらつきの少ない圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタを提供することにある。さらには、所望の圧縮応力を有する膜を利用することで電気機械結合係数が大きな圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、請求項１に記載のように、基板と、該基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極とを含む圧電薄膜共振子において、前記上部電極と前記下部電極の対向する部位の形状が楕円形であり、該楕円形の主軸の長さをａ、副軸の長さをｂとした時、１＜ａ／ｂ＜１．９を満たしている圧電薄膜共振子である。
【００１２】
また、請求項２に記載のように、本発明は基板と、該基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極とを含み、かつ前記上部電極と前記下部電極が対向する部位の該下部電極の下側に空隙を有した圧電薄膜共振子において、該上部電極と下部電極の対向する部位及び前記基板の面に平行な方向の前記空隙の断面形状が楕円形であり、該楕円形の主軸の長さをａ、副軸の長さをｂとした時、１＜ａ／ｂ＜１．９を満たしている圧電薄膜共振子である。
【００１３】
これらの構成によれば、横モードの波に起因して共振子のインピーダンス特性に不要スプリアスが生じたり、フィルタの通過帯域にリップルが発生したりする問題を実用上問題のないレベルに抑えることができる。また、上部電極と下部電極の対向する部位が歪の小さい楕円形で構成されるため、空隙内部におけるエッチングの速度差に起因する空隙の製造性の悪化を防止できる。
【００１４】
上記圧電薄膜共振子において、前記空隙の副軸の長さをｂ´とした時、該空隙と該下部電極とのサイズ関係は、０．９＜ｂ´/ｂ＜１．５を満たしていることが好ましい。この構成により、共振特性が良好で、かつばらつきの小さい圧電薄膜共振子が得られる。
【００１５】
上記圧電薄膜共振子において、前記楕円形の主軸又は副軸が電流の向きと略平行になっていることが好ましい。この構成により、対称性が良くなり、メンブレンに均等に応力がかかるようになるため、メンブレン部がきれいに歪み、ひいては共振特性のばらつきが減少する。
【００１６】
上記圧電薄膜共振子において、電流の向きと垂直な前記楕円形の軸から電流の向きと平行に両方向を見た時、少なくとも副軸の長さｂの半分の範囲内において、上部電極と下部電極が略対称な形状になっていることが好ましい。この構成により、対称性が良くなり、メンブレンに均等に応力がかかるようになるため、メンブレン部がきれいに歪み、ひいては共振特性のばらつきが減少する。
【００１７】
本発明はまた、請求項６に記載のように、基板と、該基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極とを含む圧電薄膜共振子において、前記上部電極と前記下部電極の対向する楕円形状の部位から外に伸びる上部電極及び／又は下部電極の引き出し部は、主軸又は副軸の長さを超える幅を有する圧電薄膜共振子である。この構成により、電極膜を通してメンブレンに加わる応力が低減されるため、メンブレン部の強度が向上し、ひいては共振特性のばらつきが減少する。この圧電薄膜共振子において、前記引き出し部は、前記楕円形状の部位から離れるにつれて幅が太くなる部分を有することが好ましい。
【００１８】
本発明はまた、請求項８に記載のように、基板と、該基板上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電膜と、該圧電膜上に形成された上部電極とを主要構成要素として備え、かつ該上部電極と該下部電極が対向する部位の該下部電極の下側に空隙を有した圧電薄膜共振子において、前記上部電極と前記下部電極が対向するメンブレン部は前記空隙と反対側に膨らんでおり、前記メンブレン部の基板表面からの最大高さは該メンブレン部の厚みの１．５倍以上である圧電薄膜共振子である。後述するように、本発明者の検討により、圧電膜には圧縮応力が加わっている方が圧電性が向上し、電気機械結合係数（Ｋ2）の大きな共振特性が得られることがわかった。成膜時に圧縮応力の膜を作製した場合、空隙形成後のメンブレン部は空隙と反対側に膨らんだ形状になる。この時、圧縮応力が大きくなるにつれて、メンブレン部の膨らみは大きくなる。よって、メンブレン部の厚みの１．５倍以上の膨らみが得られるような圧縮応力の条件とすることにより、電気機械結合係数（Ｋ2）の大きな共振特性を有する圧電薄膜共振子を得ることができる。
【００１９】
本発明はまた、請求項９に記載のように、圧電薄膜共振子を複数組み合わせたフィルタであって、該圧電薄膜共振子の少なくとも１つは上記のいずれかに記載された圧電薄膜共振子からなっているフィルタである。この構成により、横モードの波による悪影響を抑制した構造においても、十分なメンブレン部の強度と良好な空隙の製造性を有した圧電薄膜共振子の構造にしているため、特性ばらつきの少ないフィルタを得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の目的は、横モードの波による悪影響を抑制した構造においても、十分なメンブレン部の強度と良好な空隙の製造性を有した構造にしているため、特性ばらつきの少ない圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタを提供することができる。さらには、所望の圧縮応力を有する膜を利用することで電気機械結合係数が大きな圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１（Ａ）は、本発明の実施例１に係る圧電薄膜共振子の平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩB−ＩB線断面図である。図示する圧電薄膜共振子は、基板１０と、基板１０上に形成された下部電極１１と、下部電極１１上に形成された圧電膜１２と、圧電膜１２上に形成された上部電極１３とを含む。基板１０は例えばシリコン（Ｓｉ）で形成されている。下部電極１１は導電性材料で形成されており、例えばルテニウム（Ｒｕ）とクロム（Ｃｒ）の二層構造である。ルテニウム層が基板１０の主面上に形成されている。圧電膜１２は圧電物質で形成されており、例えば窒化アルミウム（ＡｌＮ）で形成されている。上部電極１３は導電性材料で形成されており、例えばルテニウム（Ｒｕ）の単層である。各層の膜厚の一例を挙げると、５．２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振子の場合、下部電極１１がＲｕ（１００ｎｍ）／Ｃｒ（５０ｎｍ）、圧電膜がＡｌＮ（４００ｎｍ）、上部電極１３がＲｕ（１００ｎｍ）である。圧電膜１２には開口が形成されており、下部電極１１の一部が露出している。この露出部分はパッド部１６として用いられる。上部電極１３と下部電極１１とが圧電膜１２を介して対向する部分の下に位置する基板１０内には、図１（Ｂ）に示すように、空隙１５が形成されている。本実施例では、基板１０の裏面からシリコンをフッ素系のガスでドライエッチングすることにより、略垂直形状の側壁を有する空隙１５が形成されている。基板１０の主面（この上に下部電極１１などが積層される）に平行な方向における空隙の断面形状は、楕円形である。
【００２３】
なお、本発明の効果を得るにあたって、基板１０、電極膜１１、１３、圧電膜１２の各材料は上記に限定されず、上記従来例で示したような他の材料を使用してもよい。また、図１（Ｂ）に示す空隙１５は基板１０を貫通する構成であるが、空隙１５は基板１５の表面だけに形成された形態でもよく、その形成方法も犠牲層を利用した方法であってもよい。更に、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１１の下に補強あるいはエッチングのストップ層として誘電体層を設けたり、表面にパシベーション膜として誘電体層を設けたり、電極のパッド部分にバンプやワイヤ接続のための導電性の下地層を設けていても構わない。
【００２４】
図１（Ａ）に示すように、上部電極１３と下部電極１１の対向する部位１４の形状は楕円形である。この部位１４はメンブレン部を構成する。本実施例によれば、メンブレン部１４の楕円形の主軸の長さをａ、副軸の長さをｂとした時、メンブレン部１４の楕円形は１＜ａ／ｂ＜１．９を満たしている。この条件は、以下に説明する本発明者の考察により導き出されたものである。
【００２５】
主軸と副軸の長さの比ａ／ｂが大きく歪みの大きい楕円の場合、空隙を作製する際、次の問題が生じることがわかった。図２（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ、ａ／ｂが１．２（ａ＝７５．９μｍ、ｂ＝６３．３μｍ）と、４．０（ａ＝１３８．７μｍ、ｂ＝３４．７μｍ）の場合における上部電極と下部電極が対向する部分の楕円形のみを示す。ａ／ｂ＝４．０のような歪みの大きい楕円では、シリコンをドライエッチングする際どうしても★に示す尖った部分でエッチング速度がかなり落ちる。この結果、この部分でエッチング残りが生じ所望の空隙形状が得られなかったり、この部分をエッチングしようとしてオーバーエッチングを行うと、先にエッチングされた部分や空隙の側壁に付着する残渣量が増えたりする。これらは特性の悪化及びばらつきの増加につながる。このような現象は、前述した特許文献１や２に記載されている非方形の多角形における頂点付近でも同様に起きる。この問題点に対しては、なるべく歪みの小さい楕円形、具体的には１＜ａ／ｂ＜１．９を満たす楕円形を使用することで空隙１５を形成する際、問題のないレベルにすることができる。
【００２６】
ただし、この１＜ａ／ｂ＜１．９の条件範囲において、横モードに起因するリップルが実用上問題のないレベルに抑えられていることが必要不可欠である。そこで、上部電極１３と下部電極１１が対向する部分であるメンブレン部１４の楕円形のａ／ｂが１．０（円を意味する）、１．２、１．９、４．０である圧電薄膜共振子からなる４種類のフィルタを作製し、帯域内のリップルを評価した。表1に各フィルタの直・並列共振子の楕円形のサイズを示す。
【００２７】
【表１】
2005124107.tif 000003
上記４種類のフィルタの構成を図３（Ａ）及び図３（Ｂ）並びに図４に示す。図３（Ａ）はフィルタの平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＩＩＩB−ＩＩＩB線線断面図、図４は図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すフィルタの回路図である。図３（Ａ）、（Ｂ）中、図１（Ａ）、（Ｂ）と同一性のある要素には、同一の参照番号を付してある。基板１０上に直列腕共振器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４と並列腕共振器Ｐ１、Ｐ２及びＰ３が図４のように接続されたラダー型フィルタである。このフィルタは、直列腕に４個の圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４、並列腕に３個の圧電薄膜共振子Ｐ１〜Ｐ３を配置している。基本構造は上記の圧電薄膜共振子と同じであるが、フィルタの場合、図示していないが、並列共振子の共振周波数を低下させてバンドパスフィルタ特性を得るために、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３の上部電極膜上に更に、例えばＳｉＯ2膜（例えば９０ｎｍ程度）を設けている。各共振器Ｓ１〜Ｓ４、Ｐ１〜Ｐ３は図１（Ａ）、（Ｂ）に示す構成と同様の構成を有する。基板１０は、共振器Ｓ１〜Ｓ４、Ｐ１〜Ｐ３に共通に設けられている。同様に、圧電膜１２も共振器Ｓ１〜Ｓ４、Ｐ１〜Ｐ３に共通に設けられている。下部電極１１及び上部電極１３はそれぞれ、隣接する共振器間で共通に用いられているものがある。例えば、直列腕共振器Ｓ１とＳ２は下部電極１１を共通にしている。また、直列腕共振器Ｓ２とＳ３は上部電極１３を共通にしている。各共振器Ｓ１〜Ｓ４、Ｐ１〜Ｐ３において、上部電極１３と下部電極１１とが重なり合う（対向する）部位の下部電極１１の下側には、基板１０に形成された空隙１５が設けられている。上記表１にある直列腕共振器とは直列腕共振器Ｓ１〜Ｓ４であり、並列腕共振器とはＰ１〜Ｐ３である。また、圧電膜１２に設けられた開口を介して露出する下部電極１１は、パッド部１７として機能する。
【００２８】
図５には、各フィルタの帯域特性（パラメータＳ２１）を示す。図５の横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は減衰（ｄＢ）を示す。曲線Ｃ１はａ／ｂ＝１．０、曲線Ｃ２はａ／ｂ＝１．２、曲線Ｃ３はａ／ｂ＝１．９、曲線Ｃ４はａ／ｂ＝４．０のフィルタの帯域特性を示す。ある無線機器用のフィルタの仕様では、帯域内のリップルを０．３ｄＢ以下に抑える必要がある。この点からみると、ａ／ｂ＝１以外は仕様をクリアしており、リップルのａ／ｂの軸比に対する依存性はそれほど大きくないと言える。また、ａ／ｂ＝４．０の場合には、並列腕共振子の空隙がきちんと形成されていないために、低周波側の損失が悪化している。したがって、１＜ａ／ｂ＜１．９を満たす楕円形を使用することで、横モードに起因するリップルを実用上問題のないレベルに抑えつつ、空隙の製造性にも優れた圧電薄膜共振子及びフィルタを得ることができる。
【実施例２】
【００２９】
本発明の実施例２は、実施例１において、メンブレン部１４の楕円形と空隙１５とのサイズ関係に特徴がある。本発明者は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示した圧電薄膜共振子の上部電極１３と下部電極１１が対向する部分であるメンブレン部１４の楕円形の副軸長ｂと、空隙１５の副軸長ｂ´との比ｂ´／ｂを変化させた時の特性に及ぼす影響を評価した。本実施例では上部電極１３と下部電極１１が対向する部分の楕円形のサイズは固定とし、空隙１５のサイズのみ変化させた。なお、上部電極１３と下部電極１１が対向する部分の楕円形はａ＝６０．μｍ、ｂ＝５０．２μｍ、ａ／ｂ＝１．２、空隙１５の楕円形についてもａ／ｂ＝１．２で一定とした。図６に共振抵抗のｂ´／ｂ依存性を示す。ｂ´／ｂが小さ過ぎると共振の振動エネルギーが基板１０側に漏れるため共振特性が悪化し、ｂ´／ｂが大き過ぎると電極１１や１３にクラックが入りやはり共振特性が悪化する。ある仕様から許される共振抵抗の許容範囲は４Ω以下であり、これを満足するのは０．９＜ｂ´／ｂ＜１．５の範囲であることがわかる。
【実施例３】
【００３０】
本発明の実施例３は、圧電薄膜共振子を流れる電流の向きと、メンブレン部１４に含まれる上部電極１３と下部電極１１とが対向する部分の楕円形の軸の方向との関係に特徴がある。本発明者は、図７（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の３つの圧電薄膜共振子について、この関係を調べた。図７（Ａ）は、副軸が電流の向きと平行、図７（Ｂ）は主軸が電流の向きと平行、図７（Ｃ）は軸が電流の向きに対して４５°傾いた関係になっている。また、楕円形の電流の向きと垂直な軸Ｐから電流の向きと平行に両方向を見た時、少なくとも副軸の長さの半分（＝ｂ／２）の範囲内において、図７（Ａ）と（Ｂ）に示すタイプは上部電極１３と下部電極１１が略対称な形状になっているに対し、（Ｃ）のタイプは対称になっていない。なお、本実施例の上部電極１３と下部電極１１が対向する部分の楕円形のサイズはａ＝８６．１μｍ、ｂ＝６１．５μｍ、ａ／ｂ＝１．４である。また、各圧電薄膜共振子における最小挿入損失及びそのばらつきを表２に示す。
【００３１】
【表２】
2005124107.tif 000004
図７（Ａ）、（Ｂ）に示すタイプ（タイプ（Ａ）、（Ｂ））に対し、図７（Ｃ）に示すタイプは最小挿入損失、ばらつきとも大きい。また、メンブレンの反りを観察したところ、（Ａ）、（Ｂ）タイプのメンブレンはドーム状にきれいに歪でいるのに対し、（Ｃ）タイプはポテトチップスのようにいびつに歪んでいることがわかった。これは、メンブレンに電極膜を通して電流の向きと平行に圧縮応力が加わった時、（Ａ）、（Ｂ）タイプのメンブレンは電流（応力）の向きに対し対称性が良いためきれいに歪むのに対し、（Ｃ）タイプのメンブレンは電流（応力）の向きに対し対称性が悪いため、いびつに歪んだものと考えられる。この結果、上記のように特性への影響が現われたものと思われる。
【００３２】
以上の考察から、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、上部電極１３と下部電極１１が対向する部分の楕円形の主軸又は副軸が電流の向きと略平行になっていることが好ましい。また、電流の向きと垂直な前記楕円形の軸から電流の向きと平行に両方向を見た時、少なくとも副軸の長さｂの半分の範囲内において、上部電極と下部電極が略対称な形状になっていることが好ましい。
【００３３】
図３（Ａ）に示すラダー型フィルタでは、圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４、Ｐ１〜Ｐ３はいずれも、上部電極１３と下部電極１１が対向する部分の楕円形の副軸が電流の向きと略平行になるように配置されている。図３（Ａ）に示す構成において、圧電薄膜共振子Ｓ１〜Ｓ４、Ｐ１〜Ｐ３のいずれにおいても、上部電極１３と下部電極１１が対向する部分の楕円形の主軸が電流の向きと略平行になるように配置されている構成とすることもできる。更に、図３（Ａ）に示すラダー型フィルタにおいて、図７（Ａ）の配置と図７（Ｂ）の配置が混在するようにしてもよい。
【実施例４】
【００３４】
本発明の実施例４は、上部電極１３と下部電極１１の対向する楕円形状の部位から外に伸びる上部電極１３及び下部電極１１の引き出し部の構成に特徴がある。図８（Ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振子の平面図である。参照番号２１は上部電極１３の引き出し部のエッジを示し、参照番号２２は下部電極１１の引き出し部を示している。エッジ部分を強調するために、図７（Ａ）ではエッジ部分を太い実線で示してある。上部電極１３の引き出し部２１は、楕円形状の中心から離れるにつれて幅広になる形状である。楕円形状の主軸の長さはａなので、引き出し部２１の幅はａよりも大きい。引き出し部２１はパッド部２３と一体に形成されている。圧電膜１２に形成された開口を介して、下部電極１１が露出している。この露出部分がパッド部２４として用いられる。上部電極１３と同様に、下部電極１１の引き出し部２２は、楕円形状の中心から離れるにつれて幅広になる形状である。楕円形状の主軸の長さはａなので、引き出し部２２の幅はａよりも大きい。引き出し部２１と２２は略対称の形状である。エッジ部２１と２２は直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。図８（Ｂ）は比較例である。比較例の圧電薄膜共振子の引き出し部は幅が一定である。
【００３５】
本発明者は、図８（Ａ）と（Ｂ）に示す圧電薄膜共振子を以下の条件で製作し、メンブレン部１５の強度を調べた。図８（Ａ）と（Ｂ）のいずれにおいても、上部電極１３と下部電極１１が対向する部分の楕円形のサイズはａ＝８６．１μｍ、ｂ＝６１．５μｍ、ａ／ｂ＝１．４である。下部電極１１はＲｕ（１００ｎｍ）／Ｃｒ（５０ｎｍ）の二層構成、圧電膜１２はＡｌＮ（４００ｎｍ）、上部電極１３はＲｕ（１００ｎｍ）である。これらを積層したときのベタ膜（電極形状にパターニングする前の積層した状態）の内部応力が−１．５６Ｇａとなる条件で圧電薄膜共振子を作製したところ、上記の２つの共振子においてキャビティ形成後のメンブレンの破壊状態に大きな差があることがわかった。図８（Ｂ）に示すタイプでは２７％のメンブレンが破壊しているのに対し、図８（Ａ）では破壊は皆無であった。このことから、同じ内部応力を有する膜を使用しても引き出し部の形状によってメンブレンの強度が大きく異なり、図８（Ａ）のタイプの構造は図８（Ｂ）に示すタイプに比べ、メンブレンが非常に壊れにくい構造であることがわかった。
【００３６】
図８（Ａ）では、楕円形状の副軸が電流の流れる方向に対し略平行であるが、楕円形状の主軸が電流の方向に対し略平行であっても、上部電極１３及び下部電極１１の引き出し電極が楕円形状の中心から離れるにつれて幅広になる形状とすることで、同様の作用効果が得られる。また、上部電極１３と下部電極１１の両方の引き出し部２１、２２を図８（Ａ）のように形成することが好ましいが、いずれか一方のみを楕円形状の中心から離れるにつれて幅広になる形状とすることもできる。
【実施例５】
【００３７】
本発明の実施例５は、下部電極１１、圧電膜１２及び上部電極１３を含む積層膜の内部応力と共振特性を考慮した構成を有することを特徴とする。本発明者は、内部応力が共振特性に及ぼす影響を調べる実験を行った。圧電薄膜共振子の膜構造は、下部電極１３がＲｕ（１００ｎｍ）／Ｃｒ（５０ｎｍ）の二層構成、圧電膜１２がＡｌＮ（４００ｎｍ）、上部電極１３がＲｕ（１００ｎｍ）で形成されている。また、上部電極１３と下部電極１１が対向する部分の楕円形のサイズはａ＝６０．２μｍ、ｂ＝５０．２μｍ、ａ／ｂ＝１．２であり、空隙１５の楕円形のサイズはａ＝６６．２μｍ、ｂ＝５５．２μｍ、ａ／ｂ＝１．２である。図９に、内部応力（ＧＰａ）と電気機械結合係数（Ｋ2）との関係を示す。なお、この内部応力は上記ベタ膜の積層状態での応力である。この結果から、圧縮応力が大きい方が大きな電気機械結合係数（Ｋ2）が得られることがわかる。なお、本実験では、０．５２ＧＰａと０．８７ＧＰａの２種類の引張応力の膜も作製したが、いずれも空隙１５を形成した後メンブレンが破壊してしまった。ある仕様から要求される電気機械結合係数（Ｋ2）は６％以上であることから、これを満たすには−０．６８ＧＰａ以上の圧縮応力を有する膜が必要なことがわかる。
【００３８】
ところで、応力を有する膜を使用した場合、空隙形成後メンブレン部が反った形状になる。特に、圧縮応力の膜を使用した場合、図１０に示すように、空隙１５を形成した後のメンブレン部１４は空隙と反対側に膨らんだ形状になる。いま、メンブレン部１４の厚みをＭ（本実施例の場合６５０ｎｍ）、メンブレン部１４の基板１１表面からの最大高さをＵとした場合、図１１にＵ／Ｍと内部応力の関係を示す。圧縮応力が大きくなるにつれて、メンブレン部１４の膨らみは大きくなることがわかる。以上の結果から、Ｕ／Ｍが１．５以上の場合に、６％以上の電気機械結合係数（Ｋ2）を有する所望の圧電薄膜共振子を得ることができる。
【実施例６】
【００３９】
以上説明した実施例１〜実施例５はいずれも、メンブレン部１４の下に空隙１５を設けた構成である。しかしながら、本発明は空隙１５の代わりに、音響インピーダンスが高い膜と低い膜を交互にλ/４（λ：弾性波の波長）の膜厚で積層した音響反射膜を備えた圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタ素子を含むものである。
【００４０】
本発明によれば、横モードの波による悪影響を抑制した構造においても、十分なメンブレン部の強度と良好な空隙の製造性を有した構造にしているため、特性ばらつきの少ない圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタを得ることができる。更には、所望の圧縮応力を有する膜を利用することで電気機械結合係数（Ｋ2）が大きな圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例１に係る圧電薄膜共振子の平面図（Ａ）及びこの平面図のＩB−ＩB線断面図である。
【図２】軸比の異なる楕円形を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係る圧電薄膜共振子を用いたフィルタ素子の平面図（Ａ）、及びこの平面図のＩＩＩB−ＩＩＩB線断面図である。
【図４】図３に示すフィルタ素子の回路図である。
【図５】楕円形の軸比を変えたフィルタ素子の帯域特性を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例２に係る圧電薄膜共振子の共振抵抗のｂ´／ｂ依存性を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例３に係る圧電薄膜共振子を示す平面図（Ａ）及び（Ｂ）、並びに比較例を示す平面図（Ｃ）である。
【図８】本発明の実施例４に係る圧電薄膜共振子を示す平面図（Ａ）、及び比較例を示す平面図（Ｂ）である。
【図９】本発明の実施例５に関する内部応力と電気機械結合係数との関係を示すグラフである。
【図１０】空隙形成後のメンブレンの形状を模式的に示す圧電薄膜共振子の断面図である。
【図１１】内部応力と図１０に示すパラメータＵとＭの比Ｕ／Ｍとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０    基板
１１    下部電極
１２    圧電膜
１３    上部電極
１４    メンブレン部
１５    空隙
１６、１７    パッド部
２１、２２    引き出し部
２３、２４    パッド部
【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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