JP7017364B2

JP7017364B2 - ラダー型フィルタ、圧電薄膜共振器およびその製造方法

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Publication number: JP7017364B2
Application number: JP2017201772A
Authority: JP
Inventors: 裕樹高橋; 裕臣金子; 博士川上; 眞司谷口
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: JP2019075736A; US20190115901A1; US10666226B2

Description

本発明は、ラダー型フィルタ、圧電薄膜共振器およびその製造方法に関する。

圧電薄膜共振器を用いたラダー型フィルタは、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。圧電薄膜共振器では、基板上に下部電極、圧電膜および上部電極が積層されている。圧電膜の少なくとも一部を挟み下部電極と上部電極とが対向する領域は共振領域である。挿入膜を共振領域内の外周領域の下部電極と上部電極との間に挿入し、共振領域の中央領域には挿入しないことが知られている（例えば特許文献１から３）。圧電薄膜共振器をラダー型フィルタに用いることが知られている（例えば特許文献４から７）。

特開２０１５－９５７２９号公報特開２０１６－２９７６６号公報特開２０１７－３４３５８号公報特開２００３－２２０７４号公報特開２００４－１７３２３６号公報特開２００５－２２３８０８号公報特開２００７－３２４８２３号公報

例えば、デュプレクサに用いられるフィルタでは、送信帯域と受信帯域の間のスカート特性を急峻にし、かつ広帯域化および低リップルを実現することが求められている。圧電薄膜共振器に挿入膜を設けることでＱ値を向上させることができる。しかし、挿入膜を有する圧電薄膜共振器をラダー型フィルタに用いても、上記特性を実現することは難しい。また、直列共振器と並列共振器に異なる共振器を用いようとすると、製造工程が増加しコストが増大する。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、ラダー型フィルタの特性を向上させかつ製造工程の増加を抑制すること、または、圧電薄膜共振器のＱ値を向上させることを目的とする。

本発明は基板と、前記基板上に設けられた第１下部電極と、前記第１下部電極上に設けられた第１圧電膜と、前記第１圧電膜上に設けられた第１上部電極と、前記第１下部電極と前記第１上部電極との間に挿入され前記第１圧電膜の少なくとも一部を挟み前記第１下部電極と前記第１上部電極とが対向する第１共振領域内の外周領域に設けられ前記第１共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、を有する第１圧電薄膜共振器と、前記基板上に設けられた第２下部電極と、前記第２下部電極上に設けられた第２圧電膜と、前記第２圧電膜上に設けられた第２上部電極と、前記第２圧電膜の少なくとも一部を挟み前記第２下部電極と前記第２上部電極とが対向する第２共振領域内の前記第２下部電極と前記第２上部電極との間に挿入膜が挿入されていない第２圧電薄膜共振器と、入力端子と出力端子との間に直列に接続され、少なくとも１つの直列共振器は前記第１圧電薄膜共振器および前記第２圧電薄膜共振器のいずれか一方の第１共振器である１または複数の直列共振器と、前記入力端子と前記出力端子との間に並列に接続され、少なくとも１つの並列共振器は前記第１圧電薄膜共振器および前記第２圧電薄膜共振器の他方の第２共振器である１または複数の並列共振器と、を備え、前記第１圧電膜および前記第２圧電膜は、下部圧電膜と前記下部圧電膜上に設けられた上部圧電膜とを含み、前記挿入膜は前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に挿入されており、前記第２圧電薄膜共振器において、前記下部圧電膜の端面は、前記第２下部電極から前記上部圧電膜に向かって前記下部圧電膜が狭くなるように傾斜し、前記上部圧電膜の端面は、傾斜していないまたは前記下部圧電膜から前記第２上部電極に向かって前記上部圧電膜が広くなるように傾斜し、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との界面において前記下部圧電膜の端面と前記上部圧電膜の端面とは略一致し、前記第２上部電極の端部は、前記上部圧電膜の上面の端部と一致または前記上部圧電膜の上面の端部より外側に位置するラダー型フィルタである。

上記構成において、前記少なくとも一つの直列共振器は前記第１共振器であり、前記１または複数の直列共振器のうち前記少なくとも一つの直列共振器以外の直列共振器と、前記１または複数の並列共振器の全てと、は前記第２共振器である構成とすることができる。

上記構成において、前記少なくとも一つの並列共振器は前記第２共振器であり、前記１または複数の並列共振器のうち前記少なくとも一つ並列共振器以外の並列共振器と、前記１または複数の直列共振器の全てと、は前記第１共振器である構成とすることができる。

上記構成において、前記１または複数の直列共振器は全て前記第１共振器であり、前記１または複数の並列共振器は全て前記第２共振器である構成とすることができる。

上記構成において、前記第２圧電薄膜共振器において、前記第２下部電極の上面と前記下部圧電膜の端面とのなす内角は、前記下部圧電膜の上面と前記上部圧電膜の端面とのなす内角より小さい構成とすることができる。

本発明によれば、ラダー型フィルタの特性を向上させかつ製造工程の増加を抑制すること、または、圧電薄膜共振器のＱ値を向上させることができる。

図１（ａ）は、実施例１に係るラダー型フィルタが用いられるデュプレクサの回路図、図１（ｂ）は、実施例１に係るラダー型フィルタの回路図である。図２は、実施例１に係るラダー型フィルタの直列共振器および並列共振器の平面図である。図３は、実施例１に係るラダー型フィルタの直列共振器および並列共振器の断面図である。図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例１に係るラダー型フィルタの製造方法を示す断面図（その１）である。図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施例１に係るラダー型フィルタの製造方法を示す断面図（その２）である。図６（ａ）から図６（ｃ）は、実施例１に係るラダー型フィルタの製造方法を示す断面図（その３）である。図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例１に係るラダー型フィルタの製造方法を示す断面図（その４）である。図８は、実施例１および比較例１に係るラダー型フィルタの通過帯域を示す図である。図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施例１および比較例１に係るラダー型フィルタの通過帯域を示す図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例１および２に係るラダー型フィルタの直列共振器および並列共振器の断面図である。図１１は、実施例１の変形例３に係るラダー型フィルタの直列共振器および並列共振器の断面図である。図１２（ａ）から図１２（ｄ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図１３は、比較例２における圧電薄膜共振器の断面図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例２および比較例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。

以下、図面を参照し実施例について説明する。

図１（ａ）は、実施例１に係るラダー型フィルタが用いられるデュプレクサの回路図、図１（ｂ）は、実施例１に係るラダー型フィルタの回路図である。図１（ａ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘに入力した高周波信号のうち送信帯域の信号を共通端子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に入力した高周波信号のうち受信帯域の信号を受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。

図１（ｂ）に示すように、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に直列に直列共振器Ｓ１からＳ４が接続され、並列に並列共振器Ｐ１からＰ４が接続されている。直列共振器の個数は１または複数であればよく、並列共振器の個数は１または複数であればよい。

ＬＴＥ（Long Term Evolution）バンド３用のデュプレクサを例に説明する。バンド３の送信帯域は１７１０ＭＨｚから１７８５ＭＨｚであり受信帯域は１８０５ＭＨｚから１８８０ＭＨｚである。送信帯域と受信帯域との間のガードバンドの幅は２０ＭＨｚである。一方、送信帯域幅および受信帯域幅は７５ＭＨｚであり、周波数に対する帯域幅である比帯域は４．２％と大きい。このため、送信フィルタ４０では、受信帯域に隣接する高周波側のスカート特性を急峻にし、かつ通過帯域の広帯域化および通過帯域に生じるリップルを抑制することが求められる。受信フィルタ４２では、送信帯域に隣接する低周波側のスカート特性を急峻にし、かつ通過帯域の広帯域化および通過帯域に生じるリップルを抑制することが求められる。

特許文献１のように挿入膜を設けることでＱ値が向上するものの電気機械結合係数が低下する。このため、挿入膜を有する圧電薄膜共振器でラダー型フィルタを形成すると、スカート特性は急峻となるものの広帯域かつ低リップルを実現することが難しい。

そこで、送信フィルタ４０では、直列共振器Ｓ１からＳ４にＱ値の高い共振器を用い、並列共振器Ｐ１からＰ４に電気機械結合係数の高い共振器を用いる。これにより、高周波側のスカート特性を急峻にし、かつ広帯域かつ低リップルにできる。受信フィルタ４２では、並列共振器Ｐ１からＰ４にＱ値の高い共振器を用い、直列共振器Ｓ１からＳ４に電気機械結合係数の高い共振器を用いる。これにより、低周波側のスカート特性を急峻にし、かつ広帯域かつ低リップルにできる。

特許文献３から６では、直列共振器と並列共振器とでＱ値および電気機械結合係数等の特性を異ならせることができる。しかしながら、特許文献３から６では、直列共振器と並列共振器とで異なる膜厚または異なる膜材料を用いることになり、製造工程が増加し、コストが増加する。

特許文献２では、直列共振器と並列共振器とで挿入膜の共振領域内の幅を変えることで、Ｑ値および電気機械結合係数等の特性を異ならせている。これにより、製造工程の増加は抑制できる。しかしながら、全ての圧電薄膜共振器が挿入膜を有するため、電気機械結合係数を十分に高くすることができない。

以下、受信フィルタ４２を例に実施例１について説明する。

図２は、実施例１に係るラダー型フィルタの直列共振器および並列共振器の平面図である。図２は、下部電極、上部電極、挿入膜および共振領域を図示している。図３は、実施例１に係るラダー型フィルタの直列共振器および並列共振器の断面図であり、図２のＡ－Ａ断面に相当する図である。

図２および図３に示すように、基板１０上に、圧電薄膜共振器１１ａおよび１１ｂが設けられている。圧電薄膜共振器１１ａおよび１１ｂは、それぞれ並列共振器および直列共振器である。圧電薄膜共振器１１ａおよび１１ｂは、それぞれ基板１０上に設けられた下部電極１２ａおよび１２ｂ、下部電極１２ａおよび１２ｂ上に設けられた圧電膜１４ａおよび１４ｂ、並びに圧電膜１４ａおよび１４ｂ上に設けられた上部電極１６ａおよび１６ｂを有している。上部電極１６ａおよび１６ｂ上に保護膜２４が設けられている。保護膜２４は、下部電極１２ａおよび１２ｂ上の一部、下部圧電膜１５ａ上の一部および挿入膜２８上の一部にも設けられている。下部電極１２ａおよび１２ｂ並びに上部電極１６ａおよび１６ｂ上に金属層２２ａ、２２ｂおよび２２ｃが設けられている。金属層２２ａから２２ｃは、配線またはパッドとして機能する。基板１０の上面と下部電極１２ａおよび１２ｂとの間にはそれぞれ空隙３０ａおよび３０ｂが設けられている。空隙３０ａおよび３０ｂはドーム状である。

下部電極１２ａおよび１２ｂは、各々下層１３ａと下層１３ａ上に設けられた上層１３ｂとを有している。圧電膜１４ａおよび１４ｂは、各々下部圧電膜１５ａと下部圧電膜１５ａ上に設けられた上部圧電膜１５ｂとを有している。上部電極１６ａおよび１６ｂは、各々下層１７ａと下層１７ａ上に設けられた上層１７ｂとを有している。金属層２２ａから２２ｃは、各々下層２３ａと下層２３ａ上に設けられた上層２３ｂとを有している。

圧電膜１４ａの少なくとも一部を挟み上部電極１６ａと下部電極１２ａとが対向する領域は共振領域５０ａである。圧電膜１４ｂの少なくとも一部を挟み上部電極１６ｂと下部電極１２ｂとが対向する領域は共振領域５０ｂである。共振領域５０ａおよび５０ｂは、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。共振領域５０ａおよび５０ｂは、それぞれ平面視において空隙３０ａおよび３０ｂに含まれる。

圧電薄膜共振器１１ａでは、下部圧電膜１５ａと上部圧電膜１５ｂとの間に挿入膜２８が設けられている。圧電薄膜共振器１１ｂには挿入膜２８は設けられていない。挿入膜２８は、共振領域５０ａ内の外周領域５２に設けられ、中央領域５４に設けられてない。中央領域５４は共振領域５０ａの中心を含む領域である。挿入膜２８の平面形状は、リング状またはリングの一部をカットした形状である。挿入膜２８は、下部電極１２ａと圧電膜１４ａとの間に設けられていてもよく、圧電膜１４ａと上部電極１６ａとの間に設けられていてもよい。すなわち、挿入膜２８は下部電極１２ａと上部電極１６ａとの間に挿入されていればよい。

挿入膜２８により、共振領域５０ａから弾性波エネルギーが漏洩することを抑制できる。よって、Ｑ値を向上できる。下部電極１２ａの引き出し領域において、下部圧電膜１５ａの端面は上部圧電膜１５ｂの端面より外側に位置する。これにより、Ｑ値を向上できる。

並列共振器となる圧電薄膜共振器１１ａの下層１７ａと上層１７ｂとの間には質量負荷膜２０が設けられている。直列共振器となる圧電薄膜共振器１１ｂには質量負荷膜２０は設けられていない。質量負荷膜２０は、直列共振器と並列共振器との共振周波数を異ならせるための膜である。

基板１０は、例えばＳｉ（シリコン）基板である。基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、サファイア基板、スピネル基板、アルミナ基板、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１２ａおよび１２ｂにおける下層１３ａおよび上層１３ｂは例えばそれぞれＣｒ（クロム）膜およびＲｕ（ルテニウム）膜である。上部電極１６ａおよび１６ｂにおける下層１７ａおよび上層１７ｂは例えばＲｕ膜およびＣｒ膜である。下部電極１２ａ、１２ｂ、上部電極１６ａおよび１６ｂとしては、ＲｕおよびＣｒ以外にもＡｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、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。

圧電膜１４ａおよび１４ｂは、例えば（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする窒化アルミニウム膜である。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）、２族または１２族の元素と４族の元素との２つの元素、または２族または１２族と５族との２つの元素を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上する。このため、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。２族の元素は、例えばＣａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）であり１２族元素は例えばＺｎ（亜鉛）である。４族の元素は、例えばＴｉ、Ｚｒ（ジルコニウム）またはＨｆ（ハフニウム）である。５族の元素は、例えばＴａ、Ｎｂ（ニオブ）またはＶ（バナジウム）である。さらに、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、Ｂ（ボロン）を含んでもよい。

挿入膜２８は、圧電膜１４よりヤング率および／または音響インピーダンスが小さい材料である。挿入膜２８は、酸化シリコン以外に、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、ＴａまたはＣｒ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。

質量負荷膜２０、例えばＴｉ膜である。Ｔｉ膜以外に下部電極１２ａ、１２ｂ、上部電極１６ａおよび１６ｂで例示した金属膜または絶縁膜を用いることができる。保護膜２４は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜である。保護膜２４は、酸化シリコン膜以外にも窒化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜等の絶縁膜を用いることができる。金属層２２ａから２２ｃの下層２３ａおよび上層２３ｂは、例えばそれぞれＴｉ膜およびＡｕ膜である。下層２３ａは、密着性を向上させる層であり、上層２３ｂは、低抵抗なＣｕ層、Ａｌ層でもよい。

［実施例１の製造方法］
図４（ａ）から図７（ｃ）は、実施例１に係るラダー型フィルタの製造方法を示す断面図である。図４（ａ）に示すように、基板１０を準備する。領域４４は、並列共振器である圧電薄膜共振器１１ａを形成する領域であり、領域４６は、直列共振器である圧電薄膜共振器１１ｂを形成する領域である。

図４（ｂ）に示すように、基板１０上に、犠牲層３８ａおよび３８ｂを例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い形成する。犠牲層３８ａおよび３８ｂは、例えばＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜である。犠牲層３８ａおよび３８ｂは、ＺｎＯ膜、Ｇｅ膜または酸化シリコン膜でもよい。犠牲層３８ａおよび３８ｂの膜厚は例えば１０ｎｍから１００ｎｍである。犠牲層３８ａおよび３８ｂを例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。犠牲層３８ａおよび３８ｂは、真空蒸着法およびリフトオフ法を用い形成してもよい。

図４（ｃ）に示すように、基板１０上に犠牲層３８ａおよび３８ｂを覆うように下層１３ａおよび上層１３ｂを例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。下層１３ａおよび１３ｂを例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。これにより、領域４４および４６にそれぞれ下部電極１２ａおよび１２ｂが形成される。下部電極１２ａおよび１２ｂは、真空蒸着法およびリフトオフ法を用い形成してもよい。

図４（ｄ）に示すように、基板１０上に下部電極１２ａおよび１２ｂを覆うように下部圧電膜１５ａを例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。

図５（ａ）に示すように、下部圧電膜１５ａ上に挿入膜２８をスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。図５（ｂ）に示すように、挿入膜２８を例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。これにより、領域４４に挿入膜２８が形成され。領域４６に挿入膜２８は形成されない。挿入膜２８は、真空蒸着法およびリフトオフ法を用い形成してもよい。

図５（ｃ）に示すように、下部圧電膜１５ａ上に挿入膜２８を覆うように上部圧電膜１５ｂを例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。これにより、領域４４および４６に、それぞれ圧電膜１４ａおよび１４ｂが形成される。

図６（ａ）に示すように、上部圧電膜１５ｂ上に下層１７ａ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。図６（ｂ）に示すように、下層１７ａ上に質量負荷膜２０を例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。質量負荷膜２０を例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。これにより、領域４４に質量負荷膜２０が形成され、領域４６に質量負荷膜２０は形成されない。質量負荷膜２０は、真空蒸着法およびリフトオフ法を用い形成してもよい。

図６（ｃ）に示すように、下層１７ａ上に質量負荷膜２０を覆うように上層１７ｂを例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。これにより、領域４４および４６に、それぞれ上部電極１６ａおよび１６ｂが形成される。

図７（ａ）に示すように、上層１７ｂ、下層１７ａを例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。上部圧電膜１５ｂ、下部圧電膜１５ａを例えばエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。このとき、例えば上部電極１６ａおよび１６ｂ並びに挿入膜２８をマスクに上部圧電膜１５ｂおよび下部圧電膜１５ａをエッチングする。上部圧電膜１５ｂおよび下部圧電膜１５ａが窒化アルニウム膜のとき、エッチング液には例えばリン酸溶液を用いる。

図７（ｂ）に示すように、上部電極１６ａおよび１６ｂを覆うように保護膜２４を例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。図７（ｃ）に示すように、保護膜２４の一部を除去した後、下部電極１２ａおよび上部電極１６ｂ上に金属層２２ａから２２ｃを真空蒸着法およびリフトオフ法を用い形成する。

その後、犠牲層３８ａおよび３８ｂをエッチング液により除去する。下部電極１２ａ、１２ｂ、圧電膜１４ａ、１４ｂ上部電極１６ａおよび１６ｂのトータルの内部応力を圧縮応力としておくことで、下部電極１２ａおよび１２ｂ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１２ａおよび１２ｂと基板１０との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０ａおよび３０ｂが形成される。以上により、図３に示した圧電薄膜共振器１１ａおよび１１ｂが形成される。

［実験１］
圧電薄膜共振器１１ａおよび１１ｂを作製した。作製条件は以下である。
下層１３ａ：膜厚が１００ｎｍのＣｒ膜
上層１３ｂ：膜厚が２００ｎｍのＲｕ膜
下部圧電膜１５ａ：膜厚が５００ｎｍのＡｌＮ膜
上部圧電膜１５ｂ：膜厚が５００ｎｍのＡｌＮ膜
挿入膜２８：膜厚が１００ｎｍのＳｉＯ_２膜
下層１７ａ：膜厚が２００ｎｍのＲｕ膜
上層１７ｂ：膜厚が５０ｎｍのＣｒ膜
質量負荷膜２０：膜厚が１００ｎｍのＴｉ膜
保護膜２４：膜厚が７０ｎｍのＳｉＯ_２膜
圧電薄膜共振器１１ｂには挿入膜２８を設けていない。

作製した圧電薄膜共振器１１ａおよび１１ｂのＱ値および電気機械結合係数を測定した。測定結果は以下である。
圧電薄膜共振器１１ａ（挿入膜２８あり）
共振周波数におけるＱ値：２０００
反共振周波数におけるＱ値：１７００
電気機械結合係数：６．８％
圧電薄膜共振器１１ｂ（挿入膜２８なし）
共振周波数におけるＱ値：１８００
反共振周波数におけるＱ値：１１００
電気機械結合係数：７．０％

挿入膜２８を有する圧電薄膜共振器１１ａは挿入膜２８を有さない圧電薄膜共振器１１ｂに比べ、Ｑ値が高く電気機械結合係数が小さい。

［シミュレーション１］
実験１の圧電薄膜共振器１１ａおよび１１ｂの測定結果に基づき、ラダー型フィルタの通過特性をシミュレーションした。シミュレーションしたラダー型フィルタの回路図は図１（ｂ）と同じである。ラダー型フィルタは、ＬＴＥバンド２５（受信帯域が１９３０ＭＨｚから１９９５ＭＨｚ）の受信フィルタ４２とした。実施例１では、並列共振器Ｐ１からＰ４に挿入膜２８を有する圧電薄膜共振器１１ａを用い、直列共振器Ｓ１からＳ４に挿入膜２８を有さない圧電薄膜共振器１１ｂを用いた。比較例１では、並列共振器Ｐ１からＰ４および直列共振器Ｓ１からＳ４に挿入膜２８を有する圧電薄膜共振器１１ａを用いた。

並列共振器Ｐ１からＰ４では、質量負荷膜２０を、下層１７ａ側から膜厚が１００ｎｍのＴｉ膜、膜厚が１０ｎｍのＲｕ膜および膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜とした。直列共振器Ｓ１からＳ４では、質量負荷膜２０を、下層１７ａ側から膜厚が１０ｎｍのＲｕ膜および膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜とした。その他の各層の材料および膜厚は実験１と同じとした。実施例１と比較例１では、帯域幅はほぼ同じとなるようにした。

図８から図９（ｂ）は、実施例１および比較例１に係るラダー型フィルタの通過帯域を示す図である。図８に示すように、実施例１および比較例１ともに並列共振器Ｐ１からＰ４は挿入膜２８を有するため、低周波側のスカート特性は急峻である。図９（ａ）に示すように、実施例１では直列共振器Ｓ１からＳ４は挿入膜２８を有さないため高周波側のスカート特性は比較例１より緩やかである。

図９（ｂ）に示すように、領域４８のように実施例１は比較例１よりリップルが小さい。ラダー型フィルタでは、広帯域にすると、通過帯域内のリップルが大きくなる。通過帯域内のリップルを小さくしようとすると帯域が狭くなる。このシミュレーションでは実施例１と比較例１とで帯域幅をほぼ同じとしている。この場合、実施例１では比較例１に比べリップルを小さくできる。

実施例１によれば、圧電薄膜共振器１１ａ（第１圧電薄膜共振器）は、下部電極１２ａ（第１下部電極）、圧電膜１４ａ（第１圧電膜）、上部電極１６ａ（第１上部電極）および挿入膜２８を有している。圧電薄膜共振器１１ｂ（第２圧電薄膜共振器）は、下部電極１２ｂ（第２下部電極）、圧電膜１４ｂ（第２圧電膜）および上部電極１６ｂ（第２上部電極）を有し、挿入膜２８を有していない。

１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４は、挿入膜２８を有する圧電薄膜共振器１１ａであり、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４は、挿入膜２８を有さない圧電薄膜共振器１１ｂである。

これにより、シミュレーション１のように、低周波側のスカート特性が急峻であり、広帯域かつリップルの小さいラダー型フィルタを実現できる。特許文献３から６のように製造工程が増加することがないため、製造コストを低減できる。特許文献２に比べ直列共振器Ｓ１からＳ４の電気機械結合係数を大きくできるため、より広帯域かつリップルの小さいラダー型フィルタを実現できる。

１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４を、挿入膜２８を有する圧電薄膜共振器１１ａとし、１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４を、挿入膜２８を有さない圧電薄膜共振器１１ｂとしてもよい。これにより、高周波側のスカート特性を急峻にし、広帯域かつリップルの小さいラダー型フィルタを実現できる。このようなラダー型フィルタは、例えば送信フィルタ４０に用いることが好ましい。

受信帯域が送信帯域より低い場合には、送信フィルタ４０において、並列共振器Ｐ１からＰ４を、圧電薄膜共振器１１ａとし、直列共振器Ｓ１からＳ４を圧電薄膜共振器１１ｂとする。受信フィルタ４２において、直列共振器Ｓ１からＳ４を、圧電薄膜共振器１１ａとし、並列共振器Ｐ１からＰ４を圧電薄膜共振器１１ｂとすることが好ましい。

すなわち、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４の全てを圧電薄膜共振器１１ａおよび圧電薄膜共振器１１ｂのいずれか一方の第１共振器とし、１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４の全てを圧電薄膜共振器１１ａおよび圧電薄膜共振器１１ｂの他方の第２共振器とすればよい。

また、直列共振器Ｓ１からＳ４のうち少なくとも１つの直列共振器が第１共振器であり、直列共振器Ｓ１からＳ４の他の直列共振器と並列共振器Ｐ１からＰ４の全てとは第２共振器でもよい。さらに、並列共振器Ｐ１からＰ４のうち少なくとも１つの並列共振器が第２共振器であり、並列共振器Ｐ１からＰ４の他の並列共振器と直列共振器Ｓ１からＳ４の全てとは第１共振器でもよい。さらに、直列共振器Ｓ１からＳ４のうち少なくとも１つの直列共振器が第１共振器であり、並列共振器Ｐ１からＰ４のうち少なくとも１つの並列共振器が第２共振器であればよい。

圧電膜１４ａおよび圧電膜１４ｂは、下部圧電膜１５ａと上部圧電膜１５ｂとを含み、挿入膜２８は下部圧電膜１５ａと上部圧電膜１５ｂとの間に挿入されている。これにより、圧電薄膜共振器１１ａと１１ｂを同じ製造工程で形成することができる。よって、製造コストを削減できる。

圧電薄膜共振器１１ａと１１ｂを同じ製造工程で形成するため、下部電極１２ａと１２ｂとは同じ材料からなりかつ膜厚は略等しいことが好ましい。圧電膜１４ａと１４ｂとは同じ材料からなりかつ膜厚は略等しい。上部電極１６ａと１６ｂとは同じ材料からなりかつ膜厚は略等しいことが好ましい。

［実施例１の変形例１］
実施例１の変形例１は、空隙の構成を変えた例である。図１０（ａ）は、実施例１の変形例１に係るラダー型フィルタの直列共振器および並列共振器の断面図である。図１０（ａ）に示すように、基板１０の上面に窪みが形成されている。下部電極１２ａおよび１２ｂは、基板１０上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０ａおよび３０ｂが、基板１０の窪みに形成されている。空隙３０ａおよび３０ｂは共振領域５０ａおよび５０ｂ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３０ａおよび３０ｂは、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。

［実施例１の変形例２］
図１０（ｂ）は、実施例１の変形例２に係るラダー型フィルタの直列共振器および並列共振器の断面図である。図１０（ｂ）に示すように、共振領域５０ａおよび５０ｂの下部電極１２ａおよび１２ｂ下に音響反射膜３２ａおよび３２ｂが形成されている。音響反射膜３２ａおよび３２ｂは、音響インピーダンスの低い膜３１ａと音響インピーダンスの高い膜３１ｂとが交互に設けられている。膜３１ａおよび３１ｂ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３１ａと膜３１ｂの積層数は任意に設定できる。音響反射膜３２ａおよび３２ｂは、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３２ａおよび３２ｂの音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。例えば、音響反射膜３２ａおよび３２ｂは、基板１０中に音響インピーダンスの異なる膜が一層設けられている構成でもよい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１において、実施例１の変形例１と同様に空隙３０ａおよび３０ｂを形成してもよく、実施例１の変形例２と同様に空隙３０ａおよび３０ｂの代わりに音響反射膜３２ａおよび３２ｂを形成してもよい。

実施例１およびその変形例１のように、圧電薄膜共振器１１ａおよび１１ｂは、共振領域５０ａおよび５０ｂにおいて空隙３０ａおよび３０ｂが基板１０と下部電極１２ａおよび１２ｂ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１の変形例２のように、圧電薄膜共振器１１ａおよび１１ｂは、共振領域５０ａおよび５０ｂにおいて下部電極１２ａおよび１２ｂ下に圧電膜１４ａおよび１４ｂを伝搬する弾性波を反射する音響反射膜３２ａおよび３２ｂを備えるＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）でもよい。

［実施例１の変形例３］
図１１は、実施例１の変形例３に係るラダー型フィルタの直列共振器および並列共振器の断面図である。図１１に示すように、挿入膜２８は、物質で満たされた膜でなく、物質がない空隙２９でもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１およびその変形例において、共振領域５０ａおよび５０ｂの平面形状として楕円形状を例に説明したが、四角形状または五角形状等の多角形状でもよい。

実施例１およびその変形例に係るラダー型フィルタをデュプレクサに用いる例を説明したが、実施例１およびその変形例に係るラダー型フィルタをトリプレクサまたはクワッドプレクサ等のマルチプレクサに用いてもよい。また、マルチプレクサ以外に用いてもよい。

図１２（ａ）から図１２（ｄ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図であり、図７（ａ）において上部電極１６ｂをマスクに圧電膜１４ｂをエッチングするときの図である。図１２（ａ）に示すように、圧電膜１４ｂ上に上部電極１６ｂが形成されている。

図１２（ｂ）に示すように、上部電極１６ｂをマスクに圧電膜１４ｂをエッチングする。圧電膜１４ｂは窒化アルミニウム膜であり、エッチング液はリン酸溶液である。下部圧電膜１５ａの端面３５ａおよび上部圧電膜１５ｂの端面３５ｂは傾斜してエッチングされる。エッチングの初期においては、下部電極１２ｂの上面と端面３５ａとの内角θａと、下部圧電膜１５ａの上面と端面３５ｂとの内角θｂはほぼ同じであり鋭角である。端面３５ａと３５ｂとの界面３５ｃにおいて端面３５ａと端面３５ｂとは略一致する。

図１２（ｃ）に示すように、エッチングが進むと、上部圧電膜１５ｂと上部電極１６ｂとの界面３５ｄにおいて上部圧電膜１５ｂのエッチングが遅くなり、界面３５ｃおよび端面３５ａにおいてエッチングが進む。これにより、内角θａより内角θｂが大きくなる。例えば内角θｂはほぼ９０°となる。

図１２（ｄ）に示すように、さらにエッチングが進むと、端面３５ｂは上部電極１６ｂの端部より内側になる。内角θｂは鈍角になる。上部圧電膜１５ｂの上面と端面３５ｂがなす内角θｃは内角θｂより小さくなる。内角θａは例えば内角θｃより小さい。

挿入膜２８を有さない圧電薄膜共振器１１ｂでは、圧電膜１４ｂの上面の端部を上部電極１６ｂの下面の端部より内側にする。これにより、弾性波が基板１０に漏洩することを抑制でき、Ｑ値が向上する。圧電膜１４ｂの上面の端部を上部電極１６ｂの下面の端部より内側にするため、図１２（ｃ）または図１２（ｄ）の形状となる。

図１３は、比較例２における圧電薄膜共振器の断面図である。図１３に示すように、比較例２では、圧電膜１４ｂは単一膜であり、一回で成膜されている。比較例２では、圧電膜１４ｂの上面の端部を上部電極１６ｂの下面の端部より内側に位置するように圧電膜１４ｂをエッチングしても圧電膜１４ｂの端面３５はほぼ平面状である。

図１２（ｃ）および図１２（ｄ）において界面３５ｃでエッチングが進むのは、下部圧電膜１５ａを形成した後に、挿入膜２８を形成するために下部圧電膜１５ａの表面を空気に暴露し、その後上部圧電膜１５ｂを形成すると、上部圧電膜１５ｂは、不純物が多いおよび／または結晶性が悪くなるためと考えられる。

［シミュレーション２］
実施例２および比較例３における圧電薄膜共振器１１ｂのＱ値をシミュレーションした。図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例２および比較例３に係る圧電薄膜共振器の断面図であり、シミュレーションした構造を示す図である。図１４（ａ）に示すように、実施例２では、空隙３０ａは基板１０を貫通する。下部電極１２ｂ、圧電膜１４ｂおよび上部電極１６ｂは平坦である。下部電極１２ｂの上面と下部圧電膜１５ａの端面３５ａとのなす内度θａは鋭角であり、下部圧電膜１５ａの上面と上部圧電膜１５ｂの端面３５ｂとのなす内角θｂはほぼ直角である。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

図１４（ｂ）に示すように、比較例３では、圧電膜１４ｂは単一の膜である。下部電極１２ｂ上面と圧電膜１４ｂの端面３５とのなす内角θａは鋭角であり、端面３５は平面状である。

各層のシミュレーション条件は以下である。
下層１３ａ：膜厚が１００ｎｍのＣｒ膜
上層１３ｂ：膜厚が２００ｎｍのＲｕ膜
圧電膜１４ｂ：膜厚が１０００ｎｍのＡｌＮ膜
下層１７ａ：膜厚が３００ｎｍのＲｕ膜
上層１７ｂ：膜厚が４０ｎｍのＣｒ膜
保護膜２４：膜厚が７０ｎｍのＳｉＯ_２膜
下層２３ａ：膜厚が１００ｎｍのＴｉ膜
上層２３ｂ：膜厚が６００ｎｍのＡｕ膜
内角θａ：６０°
内角θｂ：９０°

実施例２および比較例３の反共振周波数におけるＱ値は以下である。
実施例２：１３３０
比較例３：１２７０
このように、実施例２は比較例３よりＱ値が向上する。実施例２の圧電薄膜共振器１１ｂは挿入膜２８を有さないため電気機械結合係数を劣化させずにＱ値を向上できる。

実施例２によれば、挿入膜２８を有さない圧電薄膜共振器１１ｂにおいて、下部圧電膜１５ａの端面３５ａは、下部電極１２ｂから上部圧電膜１５ｂに向かって下部圧電膜１５ａが狭くなるように傾斜する。上部圧電膜１５ｂの端面３５ｂは、傾斜していないまたは下部圧電膜１５ａから上部電極１６ｂに向かって上部圧電膜１５ｂが広くなるように傾斜する。下部圧電膜１５ａと上部圧電膜１５ｂとの界面において下部圧電膜１５ａの端面３５ａと上部圧電膜１５ｂの端面３５ｂとは略一致する。上部電極１６ｂの端部は、上部圧電膜１５ｂの上面の端部と一致または上部圧電膜１５ｂの上面の端部より外側に位置する。これにより、挿入膜２８を用いずにＱ値を向上させることができる。

また、下部電極１２ｂの上面と下部圧電膜１５ａの端面３５ａとのなす内角θａは、下部圧電膜１５ａの上面と上部圧電膜１５ｂの端面３５ｂとのなす内角θｂより小さい。これにより、Ｑ値をより向上させることができる。

下部電極１２ｂ上に下部圧電膜１５ａを形成する。下部圧電膜１５ａ上に上部圧電膜１５ｂを形成する。上部圧電膜１５ｂ上に上部電極１６ｂを形成する。その後、上部電極１６ｂをマスクに上部圧電膜１５ｂおよび下部圧電膜１５ａをエッチングする。これにより、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）のように、端面３５ａおよび３５ｂを形成できる。

実施例１に係るラダー型フィルタの挿入膜２８を有さない圧電薄膜共振器１１ｂに実施例２に係る圧電薄膜共振器を用いることで、圧電薄膜共振器１１ｂのＱ値を向上できる。また、製造工程が増加しないため製造コストを削減できる。

また、実施例２に係る圧電薄膜共振器を単独で製造してもよい。この場合、
上部圧電膜１５ｂを形成する工程の前に、下部圧電膜１５ａの表面を空気に暴露することが好ましい。これにより、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）のように、端面３５ａおよび３５ｂを形成できる。

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。

１０基板
１１ａ、１１ｂ圧電薄膜共振器
１２ａ、１２ｂ下部電極
１４ａ、１４ｂ圧電膜
１５ａ下部圧電膜
１５ｂ上部圧電膜
１６ａ、１６ｂ上部電極
２８挿入膜
３０ａ、３０ｂ空隙
３２ａ、３２ｂ音響反射膜
３５ａ、３５ｂ端面
４０送信フィルタ
４２受信フィルタ
５０ａ、５０ｂ共振領域
５２外周領域
５４中央領域

Claims

基板と、
前記基板上に設けられた第１下部電極と、前記第１下部電極上に設けられた第１圧電膜と、前記第１圧電膜上に設けられた第１上部電極と、前記第１下部電極と前記第１上部電極との間に挿入され前記第１圧電膜の少なくとも一部を挟み前記第１下部電極と前記第１上部電極とが対向する第１共振領域内の外周領域に設けられ前記第１共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、を有する第１圧電薄膜共振器と、
前記基板上に設けられた第２下部電極と、前記第２下部電極上に設けられた第２圧電膜と、前記第２圧電膜上に設けられた第２上部電極と、前記第２圧電膜の少なくとも一部を挟み前記第２下部電極と前記第２上部電極とが対向する第２共振領域内の前記第２下部電極と前記第２上部電極との間に挿入膜が挿入されていない第２圧電薄膜共振器と、
入力端子と出力端子との間に直列に接続され、少なくとも１つの直列共振器は前記第１圧電薄膜共振器および前記第２圧電薄膜共振器のいずれか一方の第１共振器である１または複数の直列共振器と、
前記入力端子と前記出力端子との間に並列に接続され、少なくとも１つの並列共振器は前記第１圧電薄膜共振器および前記第２圧電薄膜共振器の他方の第２共振器である１または複数の並列共振器と、
を備え、
前記第１圧電膜および前記第２圧電膜は、下部圧電膜と前記下部圧電膜上に設けられた上部圧電膜とを含み、
前記挿入膜は前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に挿入されており、
前記第２圧電薄膜共振器において、
前記下部圧電膜の端面は、前記第２下部電極から前記上部圧電膜に向かって前記下部圧電膜が狭くなるように傾斜し、
前記上部圧電膜の端面は、傾斜していないまたは前記下部圧電膜から前記第２上部電極に向かって前記上部圧電膜が広くなるように傾斜し、
前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との界面において前記下部圧電膜の端面と前記上部圧電膜の端面とは略一致し、
前記第２上部電極の端部は、前記上部圧電膜の上面の端部と一致または前記上部圧電膜の上面の端部より外側に位置するラダー型フィルタ。
前記少なくとも一つの直列共振器は前記第１共振器であり、前記１または複数の直列共振器のうち前記少なくとも一つの直列共振器以外の直列共振器と、前記１または複数の並列共振器の全てと、は前記第２共振器である請求項１記載のラダー型フィルタ。
前記少なくとも一つの並列共振器は前記第２共振器であり、前記１または複数の並列共振器のうち前記少なくとも一つ並列共振器以外の並列共振器と、前記１または複数の直列共振器の全てと、は前記第１共振器である請求項１記載のラダー型フィルタ。
前記１または複数の直列共振器は全て前記第１共振器であり、前記１または複数の並列共振器は全て前記第２共振器である請求項１記載のラダー型フィルタ。
前記第２圧電薄膜共振器において、
前記第２下部電極の上面と前記下部圧電膜の端面とのなす内角は、前記下部圧電膜の上面と前記上部圧電膜の端面とのなす内角より小さい請求項１から４のいずれか一項記載のラダー型フィルタ。