JP4535841B2 - 圧電薄膜共振子及びこれを用いたフィルタ - Google Patents

Description

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。

携帯電話に代表される無線機器の急速な普及により、高性能なフィルタや分波器に対する需要が増加している。圧電薄膜共振子を用いたフィルタ及び分波器は、特に高周波において低損失で高耐電力な特性が得られるため、弾性表面波フィルタに変わる次世代フィルタ、分波器として注目されている。圧電薄膜共振子フィルタが本質的に低損失で高耐電力である主たる理由は、共振子の構造が単純であり、高周波化されても電極サイズを確保できるために電気抵抗増加による特性劣化を回避できるからである。しかしながら、近年では弾性表面波フィルタの性能も飛躍的に向上しており、圧電薄膜共振子を用いたフィルタの競争力強化のためにもさらなる高性能化、特に低損失化が必須をなってきている。このような背景を受けて、圧電薄膜共振子のさらなる低損失化のための開発が活発に進められている。
この種の圧電薄膜共振器は一般にＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）として知られており、例えば特許文献１〜３に記載されている。

圧電薄膜共振子フィルタの損失原因の１つとして、弾性波が上部電極と下部電極が対向した領域（以降、共振部とよぶ）の外側（以降、非共振部とよぶ）、つまり電気信号に再変換され得ない領域に漏れていき、損失となる現象がある。ここでは、この現象を“横方向漏れ”と呼ぶことにする。この横方向漏れの原因は、共振部と非共振部の音速の大小関係に起因するものである。横方向漏れが生じないための音速の小関係は、使用される圧電膜のポアソン比で決定され、ポアソン比が１／３以上であれば共振部の音速が非共振部よりも遅く、また、ポアソン比が１／３以下であれば共振部の音速が非共振部よりも速いことである。ここで、ポアソン比１／３以上の圧電膜の場合、共振部に適当な質量付加を与えることで音速が周辺部よりも遅くなり、横方向漏れが比較的簡単に抑制できる。
特開２００４−１２０４９４ 特開２００２−３７２９７４ 米国特許第６６５７３６３

しかしながら、逆に、圧電膜のポアソン比が１／３以下の場合、横方向漏れが生じない音速の関係が逆となり、簡単には横方向漏れを抑制できない。現状の実用的な圧電薄膜共振子フィルタでは、圧電膜としてポアソン比が１／３以下であるＡｌＮが使用されており、横方向漏れの抑制が難しく、損失が増大してしまうという問題が生じていた。

本発明は、上述のような事情を考慮してなされたものであり、近年の圧電薄膜共振子フィルタに対する要求に対応すべく、横方向漏れを抑制し、低損失化することを課題としている。

本発明は、基板と、該基板上に形成された下部電極と、該下部電極及び前記基板上に形成された圧電膜と、該圧電膜を挟んで前記下部電極に対向する部分を有するように前記圧電膜上に形成された上部電極とを有し、前記対向する部分における前記圧電膜の外周部の全てが、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成された領域の外周部と略一致し、前記圧電膜がポアソン比１／３以下の材料で形成され、前記下部電極は前記領域の下に形成された空隙に露出し、前記対向する部分における圧電膜の外周部の全ては前記空隙上に位置し、前記下部電極と前記圧電膜とが前記空隙に露出する面積は、前記領域の前記空隙に露出する面積より広く、前記上部電極の引き出し部上の、前記対向する部分に近接する領域全てに付加膜を設け、前記上部電極のうち、前記引き出し部以外の部分の外周部は、前記圧電膜の外周部と略一致する圧電薄膜共振子である。

上記圧電薄膜共振子において、前記圧電膜の外周部の２５％以上が、前記領域の外周部と略一致している構成とすることができる。また、前記圧電膜の外周部の５０％以上が、前記領域の外周部と略一致している構成とすることができる。また、前記領域は楕円形状を有する構成とすることができる。上記圧電薄膜共振子において、前記領域は不規則な多角形であり、該多角形を形成する少なくとも２辺は平行でない構成とすることができる。上記圧電薄膜共振子において、前記圧電膜はＡｌＮを主成分としている構成とすることができる。また、前記付加膜は金属膜で構成することとしてもよい。また、前記付加膜は、アルミニウムを主成分とする単層膜又は多層膜で構成することができる。また、前記付加膜と前記対向する部分の外周部との最短距離が、当該対向する部分の厚さの２倍以下である構成とすることができる。また、前記付加膜と前記対向する部分の外周部との最短距離が３μｍ以下とすることができる。また、前記圧電膜の外周部はパターニングで形成されたエッジを含む構成とすることができる。また、前記領域は、厚み縦振動モードの共振子を形成している構成とすることができる。

本発明はまた、上記の圧電薄膜共振子を少なくとも１つ有するフィルタを含む。

横方向漏れが抑制され、低損失な圧電薄膜共振子、及び低損失な圧電薄膜共振子フィルタを提供することができる。

本発明の理解を助けるために、まず、図１を参照して圧電薄膜共振子の基本構造を示す。最も基本的な構造として、共振部の形状は正方形としている。図１において、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２０と、下部電極２０及び基板１０上に形成された圧電膜３０と、圧電膜３０を挟んで下部電極２０に対向する部分を有するように圧電膜３０上に形成された上部電極４０とを有する。上部電極４０と下部電極２０とが対向して形成された領域が共振部６０である。共振部６０で生じている振動は、厚み縦振動モードである。基板１０は、この領域の下に位置し、かつこの領域よりも幅広の空隙５０を有する。空隙５０は音響多層膜であってもよい。以下、空隙５０として説明する。圧電薄膜共振子は、非共振部７０、８０を有する。図１では、下部電極２０の端部が空隙５０の内側に位置しているように図示されているが、空隙５０の端部と一致するような配置であってもよい。また、同様に、上部電極４０の端部が空隙５０の内側に位置しているように図示されているが、空隙５０の端部と一致するような配置であってもよい。この点は、以下に説明する本発明の実施の形態や実施例でも同様である。

この基本構造においては、共振部６０と非共振部７０、８０の音速の大小関係が横方向漏れを引き起こす関係にあるとき、図１中矢印で示したように、弾性波は圧電膜３０を通じて共振部６０から非共振部７０、８０に向かって横方向に漏れていく。本発明においては、この圧電膜を通じて生じる横方向漏れを、図２に示すように圧電薄膜共振子の構造を変更することで低減するものである。

具体的には、非共振部７０の圧電膜３０をパターンニグすることで削除し、参照番号１００で示すように、圧電膜３０のパターニングされた外周部と共振部６０の外周部の少なくとも一部が一致するようにする。こうすることで、圧電膜３０が削除された領域は、弾性波が伝搬するための媒体がなくなるために横方向漏れがなくなる。また、共振部６０では、全域に渡って圧電膜３０が存在するので、機械振動を電気信号に再変換する際の効率劣化もないため、損失低減が見込めることになる。

次に、非共振部内において、圧電膜を削除する領域について説明する。原理からすると、非共振部７０の圧電膜３０を削除すればするほど、横方向漏れは低減される。従って、非共振部７０の圧電膜３０はできるだけ削除することが望ましい。図２に示した構造は、正方形状の共振部６０の一辺のみが、圧電膜３０の外周部と一致した最も単純な構造である。このとき、圧電膜３０の外周の２５％が共振部６０の外周と略一致していることになる。ここで、圧電膜３０をエッチングする際、下部電極２０上の圧電膜３０のエッチングレートと、基板１０上の圧電膜３０のエッチングレートは同一ではないために、両者を同時にエッチングするのは製造プロセス上に工夫が必要である。従って、図２に示した共振部６０の一辺のみが圧電膜の外周と一致した構造が最も簡単となる。もちろん、製造プロセスを改良することで、下部電極２０上と基板１０上の圧電膜３０を同時にエッチングし、共振部６０の外周の２５％以上が圧電膜３０の外周部と一致するようにすれば、さらなる特性改善が得られる。例えば、図３のように、共振部６０の２辺が圧電膜３０の外周と一致するようにすることが好ましい。

次に、図４に示すように、共振部６０が楕円形状を持つ圧電薄膜共振子について説明する。共振部６０が四角形の場合と同様に圧電膜３０を伝わって、横方向漏れが生じる。このとき、圧電膜３０を削除したときの単純な構造は図５のようになり、下部電極２０と上部電極４０の引き出し部４２がほぼ同等の形状の場合、圧電膜３０のパターン外周部と共振部６０の外周部が略一致するのは、全外周の約５０％となる。つまり、５０％までは容易に作製可能となる。ここで、図６に示したように、例えば上部電極４０の引き出し部の幅４２を共振器部６０の長軸長さよりも短くするなどの工夫をし、更に、製造プロセスの最適化により、下部電極２０上の圧電膜３０と基板１０上の圧電膜３０をエッチングすれば、圧電膜３０のパターンの外周部と共振部６０の外周部が略一致する領域を５０％以上にすることができ、大部分の横方向漏れが抑制されることになり、更に損失低減が見込める。

次に、パターニングされた圧電膜の端部から反射される弾性波について説明する。パターニングされた圧電膜の端部では、弾性波のほとんどが反射される。更に、この反射された弾性波は、横方向漏れがないために共振部内に閉じ込められることになる。そして、この反射波が共振部内で横方向の定在波として存在した場合、通過帯域内にリップルを生じさせ、応用上問題となることがある。この反射の問題に対しては、上部電極と下部電極が対向した共振部６０の形状を楕円形（例えば、図５）としたり、図７に示すように共振部６０の形状が不規則な多角形にすることで回避できる。なぜなら、楕円や不規則な多角形においては平行な２辺が存在しないために横方向の共振条件が満足されなく、共振部６０内には横方向の定在波が存在しにくいからである。

上述した実施の形態においては、下部電極２０上及び基板１０上の圧電膜３０を削除することで、下部電極２０上及び基板１０上に堆積された圧電膜３０を伝って横方向へ漏れるのを防いでいる。

次に、上部電極の引き出し部への横方向漏れを防ぐ構成を備えた発明の圧電薄膜共振子について説明する。圧電膜のポアソン比が１／３以下の場合、共振部内で励振された弾性波が共振部内に閉じ込められる条件は、共振部の音速が周辺部の非共振部の音速よりも速いことである。従って、図８に示すように、上部電極４０の引き出し部４２上に、音速を遅くさせるための付加膜９０を、共振部６０に近接させて堆積すればよい。また、図８に示した圧電薄膜共振子の構造を用いて横方向漏れが抑制できるのは、圧電膜３０のポアソン比が１／３以下のときであり、実用的な材料としては、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）である。更に、上部電極４０の引き出し部４２上に堆積する付加膜９０としては、金属膜とすることで横方向漏れを抑制すると同時に、引き出し部４２の電気抵抗も低減することができ、より望ましい構成となる。更には、上部電極４０の引き出し部４２に堆積する金属膜としてＡｕを主成分とする単層膜あるいは多層膜とした場合、その金属膜をフリップチップボンディングするためのバンプ密着膜としても利用でき、製造工程が簡便となり、より望ましい構成となる。ここで、上部電極４０の引き出し部４２上に堆積させる付加膜９０は、横方向漏れを効率よく抑制するために、図８のように共振部６０に接していることが望ましい。しかしながら、製造誤差によって図９のように、共振部６０上にも付加膜９０が堆積される場合があり、このときには特性劣化を招く。従って、実際には図１０のように、共振部６０からわずかに距離（付加膜マージン）Ｄを置いて付加膜９０を堆積することになる。発明者らの行った実験では、付加膜マージンＤは共振部６０の厚さ（弾性波の２分の１波長に相当）の２倍程度までの距離であれば横方向漏れ抑制の効果が得られた。更に、製造装置の誤差の観点から付加膜マージンＤについて考えると、共振部６０と付加膜９０との最短距離を３μｍ以下とすれば、付加膜９０が共振部６０に堆積されることもなく、低損失な圧電薄膜共振子を作製できる。

以上、横方向漏れを抑制する構成を備えた２つの実施形態を示した。これら２つの方法を組み合わせた場合、その効果も組み合わされるので、更に望ましくなる。

更に、共振部６０の下側は、共振部６０の面積よりも広い面積を有する空隙５０とすることで、共振部６０自体が自由に振動できるようになり、良好な特性を有する圧電薄膜共振子が得られる。

また、上記圧電薄膜共振子を少なくとも１つを用いて圧電薄膜共振子フィルタを作製した場合、横方向漏れが抑制された分だけ損失が改善でき、従来よりも低損失なフィルタ特性が得られる。

基板１０をシリコンで形成し、下部電極２０及び上部電極４０にはＲｕ（ルテニウム）を用い、圧電膜３０にはＡｌＮを用いて圧電薄膜共振子を作製し、本発明の効果を検証した例を示す。空隙部６０はＤｅｅｐ ＲＩＥを用いて基板１０の裏面からエッチングすることで形成した。また、上部電極４０と下部電極２０が対向している共振部６０の形状は楕円形である。ＡｌＮの圧電膜３０は図５に示したように下部電極２０側の非共振部７０がパターニンされており、圧電膜３０のパターン外周部と共振部６０の外周部の約５０％が略一致している。なお、共振部６０は楕円形状であり、圧電膜３０のパターニングはウエットエッチングにより行った。比較のために、図４に示すように、圧電膜３０と共振部６０の外周部が全く一致しない圧電薄膜共振子も作製して特性を評価した。このとき、圧電薄膜共振子の実効的な電気機械結合係数は、図４に示す構造では６．４％であったのに対し、図５に示す本発明の構造を用いると６．５％に向上した。また、反共振Ｑを評価した結果、図４に示す構造では５００程度であったものが、約６００まで増加した。以上の結果、図５に示した本発明構造において、圧電薄膜共振子の性能が向上することを確認できた。

基板１０をシリコンで形成し、下部電極２０及び上部電極４０にはＲｕを用い、圧電膜３０にはＡｌＮを用いて圧電薄膜共振子を作製し、本発明の効果を検証した第２の例を示す。空隙部５０はＤｅｅｐ ＲＩＥを用い基板１０の裏面からのエッチングにより形成してある。また、上部電極４０と下部電極２０が対向している共振部６０の形状は楕円形である。ここで、図８に示すように上部電極４０の引き出し部４２上に付加膜９０を作製した。付加膜９０には、Ｔｉ（１００ｎｍ厚）を下地膜としたＡｕ（３００ｎｍ）を用いた。なお、Ａｕ／Ｔｉ付加膜９０はフリップチップ用のパッド部にも同時に形成されており、バンプを形成する際の密着層の役割も果たしている。更に、Ａｕ／Ｔｉ付加膜９０と共振部６０とのマージン（付加膜マージン）Ｄを変化させて特性を評価した。実効的な電気機械結合係数の変化、及び共振Ｑ値の変化をそれぞれ図１１及び図１２に示す。なお、図１１及び図１２に示してたグラフの横軸は共振部の厚さ（弾性波の波長の１／２）で規格化した値であり、マイナスは付加膜９０が図９に示したように共振部６０も覆っていることを意味している。その結果、付加膜マージンＤがほぼ０の時に実効的な電気機械結合係数、及び共振Ｑ値も最大となることがわかる。また、付加膜マージンＤが弾性波波長の２倍程度より小さくなると、共振Ｑ値及び電気機械結合係数とも改善する傾向が見られた。従って、付加膜９０と共振部６０の外周部の最短距離が共振部の厚さの２倍以下であれば、圧電薄膜共振子の性能向上が見込めることが確認できた。

圧電膜３０の外周部の一部と共振部６０の外周部を一致させる発明と、上部電極４０の引き出し部４２上に付加膜９０を堆積する発明を組み合わせた圧電薄膜共振子を用いて、図１４に示すラダー型フィルタを構成し、本発明の効果を検証した例を示す。圧電薄膜共振子を構成する電極、圧電膜材料は上記２つの実施例と同じである。なお圧電薄膜共振子の構造は図１４にようになる。また、図１４に示すラダー型フィルタは、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４、並列共振器Ｐ１〜Ｐ３の４段構成とし、隣り合う段の並列共振器は共用されている。このラダー型フィルタにおいて、図１３に示した本発明の圧電薄膜共振子構造を並列共振器に採用した。このときの通過特性を図１５に示す。図１５には、比較のために、すべての圧電薄膜共振子を図１に示す構造とした圧電薄膜共振子の特性も比較のために示してある。本発明の圧電薄膜共振子を並列共振器に用いたラダー型フィルタでは、挿入損失が通過帯域全域に渡って０．１ｄＢ改善することが確認でき、本発明の効果を確認できた。

以上のように、本発明を用いれば、圧電薄膜共振子の性能向上が見込める。これにより、本発明の圧電薄膜共振子を用いてフィルタや分波器を構成すれば、従来よりも低損失な特性が実現可能となる。

圧電薄膜共振子の一般的な基本構造を示す図である。 本発明の一実施形態を示す図である。 図２に示す実施形態の変形例を示す図である。 圧電薄膜共振子の一般的な別の基本構造を示す図である。 図２に示す実施形態の更に別の変形例を示す図である。 図２に示す実施形態の更に別の変形例を示す図である。 図２に示す実施形態の更に別の変形例を示す図である。 本発明の別の実施形態を示す図である。 図８に示す実施形態で発生する可能性のある問題点を説明するための図である。 図８に示す実施形態における付加膜マージンを説明するための図である。 図８に示す実施形態での付加膜マージンに対する実効的は電気機械結合係数の変化を示すグラフである。 図８に示す実施形態での付加膜マージンに対する共振Ｑ値の変化を示すグラフである。 図８に示す実施形態の変形例を示す図である。 ラダー型フィルタの一構成例を示す図である。 本発明の圧電薄膜共振子を用いて製作したラダーフィルタの周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ 基板
２０ 下部電極
３０ 圧電膜
４０ 上部電極
５０ 空隙（又は音響多層膜）
６０ 共振部
７０、８０ 非共振部
９０ 付加膜

Claims (13)

1. 基板と、該基板上に形成された下部電極と、該下部電極及び前記基板上に形成された圧電膜と、該圧電膜を挟んで前記下部電極に対向する部分を有するように前記圧電膜上に形成された上部電極とを有し、前記対向する部分における前記圧電膜の外周部のうち、前記上部電極の引き出し部と重なる部分以外の外周部の全てが、前記上部電極と前記下部電極とが対向して形成された領域の外周部と略一致し、前記圧電膜がポアソン比１／３以下の材料で形成され、前記下部電極は前記領域の下に形成された空隙に露出し、前記対向する部分における圧電膜の外周部の少なくとも一部は前記空隙上に位置し、前記下部電極と前記圧電膜とが前記空隙に露出する面積は、前記領域を形成する下部電極の前記空隙に露出する面積より広く、前記上部電極の引き出し部上の、前記対向する部分に近接する領域全てに付加膜を設け、前記上部電極のうち、前記引き出し部以外の部分の外周部は、前記圧電膜の外周部と略一致することを特徴とする圧電薄膜共振子。
2. 前記圧電膜の外周部の２５％以上が、前記領域の外周部と略一致していることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振子。
3. 前記圧電膜の外周部の５０％以上が、前記領域の外周部と略一致していることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振子。
4. 前記領域は楕円形状を有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子。
5. 前記領域は不規則な多角形であり、該多角形を形成する少なくとも２辺は平行でない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子。
6. 前記圧電膜はＡｌＮを主成分とし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子。
7. 前記付加膜は金属膜であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
8. 前記付加膜は、アルミニウムを主成分とする単層膜又は多層膜であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
9. 前記付加膜と前記対向する部分の外周部との最短距離が、当該対向する部分の厚さの２倍以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
10. 前記付加膜と前記対向する部分の外周部との最短距離が３μｍ以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
11. 前記圧電膜の外周部はパターニングで形成されたエッジを含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
12. 前記領域は、厚み縦振動モードの共振子を形成していることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項記載の圧電薄膜共振子。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の前記圧電薄膜共振子を少なくとも１つ含むフィルタ。

Images