JP2006270770A - Thin film bulk wave element and high frequency device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、薄膜バルク波素子および高周波デバイスに関する。 The present invention relates to a thin film bulk wave device and a high frequency device.
従来、圧電体薄膜内部の弾性波(バルク波)を利用する薄膜バルク波素子が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a thin film bulk acoustic wave device using an elastic wave (bulk wave) inside a piezoelectric thin film is known (see, for example, Patent Document 1).
図10は、従来の薄膜バルク波素子の構造を説明するための平面図および断面図である。図10(a)は、従来の薄膜バルク波素子の平面図であり、図10(b)は、従来の薄膜バルク波素子の矢印B方向から見た断面図である。図10を参照して、従来の薄膜バルク波素子の構造について説明する。 FIG. 10 is a plan view and a cross-sectional view for explaining the structure of a conventional thin film bulk acoustic wave device. FIG. 10A is a plan view of a conventional thin film bulk acoustic wave device, and FIG. 10B is a cross-sectional view of the conventional thin film bulk acoustic wave device as viewed from the direction of arrow B. With reference to FIG. 10, the structure of a conventional thin film bulk acoustic wave device will be described.
従来の薄膜バルク波素子では、図10(a)および図10(b)に示すように、基板101の表面には、矩形の平面形状を有する凹部104が形成されている。また、この凹部104上には、この凹部104を全て覆うように、薄膜共振器(Film Bulk Acoustic Resonator:FBAR)105が形成されている。この薄膜共振器105は、圧電体薄膜106と圧電体薄膜106の上面上および下面上に形成された電極107および108とからなる。
In the conventional thin film bulk acoustic wave device, as shown in FIGS. 10A and 10B, a
また、薄膜共振器105には、薄膜共振器105の表面から凹部104に貫通するエッチング孔109、109、・・・が形成されている。エッチング孔109、109、・・・は、凹部104上に薄膜共振器105を配置する前に凹部104内部に充填されている燐珪酸ガラス(PSG)のような犠牲材料をエッチングにより除去するために用いられる。
Further,
また、電極107および108は、それぞれ、基板101上に形成されているパッド電極110および111と接続されているとともに、パッド電極110および111を介して図示していない外部の回路と接続されている。このようにして、従来の薄膜バルク波素子が構成されている。
The
従来の薄膜バルク波素子では、電極107および108に印加される高周波電力により、圧電体薄膜106の内部にバルク波が発生する。このとき、薄膜共振器107の凹部104上に位置する矩形の平面形状を有する領域からなる薄膜共振子r1では、バルク波は薄膜共振器105の上面および下面において反射するので、この薄膜共振子r1は、その厚み方向(縦方向)に、領域r1の厚みh(圧電体薄膜106の膜厚と電極107および108の膜厚との合計)の約2倍の波長を有する周波数で共振(縦振動)することができる。
In the conventional thin film bulk wave device, a bulk wave is generated inside the piezoelectric
また、薄膜共振器106の薄膜共振子r1以外の領域では、バルク波は基板101に向かって漏洩するので、上記共振現象は生じない。即ち、従来の薄膜バルク波素子において、実質的に共振器として機能するのは薄膜共振器105の凹部104上に位置する領域からなる薄膜共振子r1である。
Further, in the region other than the thin film resonator r 1 of the
そして、従来の薄膜バルク波素子では、縦振動の共振周波数fhがGHzオーダーになるように、薄膜共振子r1の厚みhは、μmオーダーに設定されている。 In the conventional thin film bulk acoustic wave device, the thickness h of the thin film resonator r 1 is set to the μm order so that the resonance frequency f h of the longitudinal vibration is in the GHz order.
また、従来の薄膜バルク波素子では、薄膜共振子r1は、その厚み方向(縦方向)だけでなく、平面方向(横方向)にも共振する。この横方向の共振(横振動)の共振周波数fwは、薄膜共振子r1の平面形状の幅W(または長さL)の約2倍の波長を有する周波数となる。ここで、従来の薄膜共振子r1では、薄膜共振子r1の幅Wは、数百μmオーダーであって、薄膜共振子r1の厚みhと比較して2桁程度大きいので、薄膜共振器106の横振動の共振周波数fwは、縦振動の共振周波数fhよりも2桁程度小さい。したがって、上記GHzオーダーの共振周波数に設定されている薄膜バルク波素子では、横振動の共振周波数fwはほとんど利用されていなかった。
In the conventional thin film bulk acoustic wave device, the thin film resonator r 1 resonates not only in the thickness direction (longitudinal direction) but also in the plane direction (lateral direction). The resonance frequency f w of the resonance (lateral vibration) in the horizontal direction is the frequency having a wavelength of about twice the width W of the planar shape of the thin film resonator r 1 (or length L). Here, in the conventional thin film resonator r 1 , the width W of the thin film resonator r 1 is on the order of several hundred μm, which is about two orders of magnitude larger than the thickness h of the thin film resonator r 1. the resonance frequency f w of the lateral vibration of the
なお、一般に、薄膜バルク波素子は、他の共振器と同様に、二重共振特性を有しており、上記の共振周波数とは、インピーダンスがほぼゼロになる共振周波数frまたはインピーダンスが最大となる反共振周波数faを意味している。
上記したように、従来の薄膜バルク波素子では、縦振動の共振周波数fhは、薄膜共振子r1の厚みhにより制御されているので、より高い共振周波数の薄膜バルク波素子を得るためには、薄膜共振子r1の厚みhをさらに小さくする必要があった。この場合、薄膜共振器106の強度が低下したり、薄膜共振子r1の平面方向(横方向)で厚みに分布が生じやすいという不具合があった。これにより、従来の薄膜バルク波素子では、高い共振周波数を容易に得ることができないという問題点があった。
As described above, in the conventional thin film bulk acoustic wave device, since the resonance frequency f h of the longitudinal vibration is controlled by the thickness h of the thin film resonator r 1 , in order to obtain a thin film bulk acoustic wave device having a higher resonance frequency. Therefore, it was necessary to further reduce the thickness h of the thin film resonator r 1 . In this case, there is a problem in that the strength of the
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の1つの目的は、高い共振周波数を容易に得ることができる薄膜バルク波素子を提供することである。
The present invention has been made to solve the above problems,
One object of the present invention is to provide a thin film bulk acoustic wave device capable of easily obtaining a high resonance frequency.
この発明のもう1つの目的は、高い共振周波数を容易に得ることができる高周波デバイスを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a high-frequency device capable of easily obtaining a high resonance frequency.
上記目的を達成するために、この発明の第1の局面による薄膜バルク波素子は、表面に凹部を有する基板と、凹部上に形成されている圧電体薄膜と、圧電体薄膜の上面上および下面上に形成されている電極とを含む薄膜共振器を備え、薄膜共振器の前記凹部上に位置する領域からなる薄膜共振子の厚み(h)と薄膜共振子の幅(w)との比(w/h)は、10以下である。なお、本発明における「薄膜共振子の厚み」とは、薄膜共振器の凹部上に位置する領域の厚み、即ち、圧電体薄膜の膜厚とその上面および下面に形成されている電極の膜厚との合計を意味している。また、本発明における「薄膜共振子の幅」とは、薄膜共振器の凹部上に位置する領域の平面方向の長さ、即ち、上記「薄膜共振子の厚み」方向と直交する方向における上記領域の長さである。また、薄膜共振子が長辺と短辺とからなる矩形の平面形状を有する場合は、矩形の短辺の長さが「薄膜共振子の幅」となる。 In order to achieve the above object, a thin film bulk acoustic wave device according to a first aspect of the present invention includes a substrate having a recess on its surface, a piezoelectric thin film formed on the recess, and upper and lower surfaces of the piezoelectric thin film. A ratio of a thickness (h) of a thin film resonator including a region located on the concave portion of the thin film resonator and a width (w) of the thin film resonator (w) w / h) is 10 or less. The “thickness of the thin film resonator” in the present invention is the thickness of the region located on the concave portion of the thin film resonator, that is, the thickness of the piezoelectric thin film and the thickness of the electrodes formed on the upper and lower surfaces thereof. And the total. The “width of the thin film resonator” in the present invention is the length in the plane direction of the region located on the concave portion of the thin film resonator, that is, the region in the direction orthogonal to the “thickness of the thin film resonator” direction. Is the length of Further, when the thin film resonator has a rectangular planar shape composed of a long side and a short side, the length of the short side of the rectangle becomes the “width of the thin film resonator”.
この第1の局面による薄膜バルク波素子では、上記のように、薄膜共振器の凹部上に位置する領域からなる薄膜共振子が実質的に共振器として機能するが、この薄膜共振子の幅wは厚みhの10倍以下であるので、この薄膜共振子の厚み方向(縦方向)の共振(縦振動)の共振周波数fhと平面方向(横方向)の共振(横振動)の共振周波数fwとを等しいオーダーにすることができる。これにより、縦振動と横振動とが容易に結合することにより、縦振動の共振周波数fhよりも高い共振周波数fcを有する新たな共振モードが発生する。反対に、薄膜共振子の幅wが厚みhの10倍よりも大きくなると、縦振動の共振周波数fhと横振動の共振周波数fwとが離れすぎるため、これらが結合した新たな共振モードは生じにくい。ここで、新たな共振モードの共振周波数fcは、縦振動の共振周波数fhおよび横振動の共振周波数fwを用いて、以下の数式で表される。 In the thin film bulk acoustic wave device according to the first aspect, as described above, the thin film resonator composed of the region located on the concave portion of the thin film resonator substantially functions as a resonator. Is less than 10 times the thickness h, and therefore, the resonance frequency f h of resonance (longitudinal vibration) in the thickness direction (longitudinal direction) and the resonance frequency f of resonance (lateral vibration) in the plane direction (lateral direction) w can be of equal order. Thereby, the longitudinal vibration and the transverse vibration are easily coupled to generate a new resonance mode having a resonance frequency f c higher than the resonance frequency f h of the longitudinal vibration. On the other hand, when the width w of the thin film resonator is larger than 10 times the thickness h, the resonance frequency f h of the longitudinal vibration and the resonance frequency f w of the lateral vibration are too far apart, so that a new resonance mode in which these are combined is Hard to occur. Here, the resonance frequency f c of the new resonance mode is expressed by the following equation using the resonance frequency f h of longitudinal vibration and the resonance frequency f w of transverse vibration.
(fc)2=(fh)2+(fw)2 ・・・(1)
そして、この新たに生じる縦振動と横振動とが結合した共振モードを利用することにより、薄膜共振子の厚みを小さくすることなく、その共振周波数fcを大きくすることができるので、薄膜共振子の強度が低下しにくい。また、薄膜共振子の厚みを小さくする必要がないので、薄膜共振子の厚みhについても横方向に分布が生じにくい。その結果、高い共振周波数を有する薄膜バルク波素子を信頼性よく得ることができる。
(f c ) 2 = (f h ) 2 + (f w ) 2 (1)
By utilizing the resonant mode this and the newly generated longitudinal vibration and lateral vibration are bonded, without reducing the thickness of the thin film resonator, it is possible to increase the resonance frequency f c, the thin film resonator The strength of is difficult to decrease. Further, since it is not necessary to reduce the thickness of the thin film resonator, the thickness h of the thin film resonator is hardly distributed in the lateral direction. As a result, a thin film bulk acoustic wave device having a high resonance frequency can be obtained with high reliability.
したがって、この第1の局面においては、高い共振周波数を有する薄膜バルク波素子を容易に得ることができる。 Therefore, in this first aspect, a thin film bulk acoustic wave device having a high resonance frequency can be easily obtained.
なお、一般に、薄膜バルク波素子は、他の共振器と同様に二重共振特性を有しており、本発明においても、上記の共振周波数とは、インピーダンスがほぼゼロ(あるいは最小)になる狭義の意味での共振周波数frcおよびインピーダンスが無限大(あるいは最大)となる反共振周波数facの両方が含まれる。 In general, a thin film bulk acoustic wave device has a double resonance characteristic like other resonators, and in the present invention, the above resonance frequency is a narrow definition in which the impedance is almost zero (or minimum). the resonance frequency f rc and impedance in the sense of it include both anti-resonance frequency f ac to be infinite (or maximum).
また、この発明の第1の局面による薄膜バルク波素子では、薄膜共振器の共振周波数は、薄膜共振子の幅を変えることにより制御することができるので、共振周波数の調整のために薄膜共振子の厚みを変える必要がない。これにより、薄膜共振器の共振周波数の調整を容易に行うことができる。 In the thin film bulk acoustic wave device according to the first aspect of the present invention, since the resonance frequency of the thin film resonator can be controlled by changing the width of the thin film resonator, the thin film resonator is used to adjust the resonance frequency. There is no need to change the thickness. Thereby, the resonance frequency of the thin film resonator can be easily adjusted.
上記第1の局面による薄膜型バルク波素子において、好ましくは、開口部により互いに離隔されている薄膜共振子を複数備え、複数の薄膜共振子は、互いに電気的に並列に接続されているとともに等しい共振周波数を有している。このように構成することにより、複数の薄膜共振子同士は、音響的に分離されているので、各薄膜共振子内において発生したバルク波が互いに干渉することがなく、各薄膜共振子はそれぞれ独立して共振することができる。これにより、複数の薄膜共振子を近接して配置した場合でも共振周波数は変化することはない。 The thin film bulk acoustic wave device according to the first aspect preferably includes a plurality of thin film resonators separated from each other by an opening, and the plurality of thin film resonators are electrically connected in parallel to each other and are equal to each other. It has a resonance frequency. With this configuration, since the plurality of thin film resonators are acoustically separated from each other, bulk waves generated in each thin film resonator do not interfere with each other, and each thin film resonator is independent of each other. And can resonate. Thereby, even when a plurality of thin film resonators are arranged close to each other, the resonance frequency does not change.
そして、等しい共振周波数を有するこれらの薄膜共振子を電気的に並列に接続することにより、共振周波数を変えることなく、薄膜バルク波素子のインピーダンスを制御することができる。なお、本発明において、「等しい共振周波数」とは、実質的に等しい共振周波数を意味しており、具体的には、薄膜バルク波素子の中心周波数の±0.5%程度の範囲であれば実質的に等しい共振周波数として取り扱うことができる。 And by connecting these thin film resonators having the same resonance frequency in parallel, the impedance of the thin film bulk acoustic wave device can be controlled without changing the resonance frequency. In the present invention, “equal resonance frequency” means a substantially equal resonance frequency, and specifically, within a range of about ± 0.5% of the center frequency of the thin film bulk acoustic wave device. It can be treated as a substantially equal resonance frequency.
上記第1の局面による薄膜型バルク波デバイスにおいて、好ましくは、複数の薄膜共振子は、互いに等しい厚みを有するとともに等しい幅を有している。このように構成することにより、複数の薄膜共振子の共振周波数を容易に等しくすることができる。なお、本発明において、「等しい厚み」および「等しい幅」とは、実質的に等しい共振周波数が得られる厚みおよび幅を意味しており、具体的には、所定の厚みおよび幅の±0.5%程度の範囲であれば実質的に等しいとして取り扱うことができる。 In the thin film bulk acoustic wave device according to the first aspect, preferably, the plurality of thin film resonators have the same thickness and the same width. With this configuration, the resonance frequencies of the plurality of thin film resonators can be easily equalized. In the present invention, “equal thickness” and “equal width” mean a thickness and a width at which substantially the same resonance frequency can be obtained, and specifically, ± 0. A range of about 5% can be handled as being substantially equal.
上記第1の局面による薄膜型バルク波素子において、好ましくは、開口部により互いに離隔されている薄膜共振子を複数備え、複数の薄膜共振子は、互いに電気的に並列に接続されているとともに異なる共振周波数を有している。このように構成することにより、複数の薄膜共振子同士を音響的に分離することができるので、各薄膜共振子内において発生したバルク波は互いに干渉することがなく、各薄膜共振子はそれぞれ独立して共振することができる。さらに、各薄膜共振子の共振周波数をそれぞれ異なるようにするとともに、これらの薄膜共振子を電気的に並列に接続することにより、各薄膜共振子の周波数特性を重ね合わせた周波数特性を有する薄膜共振器を得ることができる。これにより、1つの薄膜共振器で帯域通過型あるいは帯域阻止型のフィルタ特性を容易に得ることができる。 The thin film bulk acoustic wave device according to the first aspect preferably includes a plurality of thin film resonators that are separated from each other by an opening, and the plurality of thin film resonators are electrically connected in parallel to each other and are different. It has a resonance frequency. With this configuration, a plurality of thin film resonators can be acoustically separated from each other, so that bulk waves generated in each thin film resonator do not interfere with each other, and each thin film resonator is independent of each other. And can resonate. Furthermore, the resonance frequency of each thin film resonator is made different from each other, and these thin film resonators are electrically connected in parallel, so that the thin film resonator has a frequency characteristic obtained by superimposing the frequency characteristics of the respective thin film resonators. Can be obtained. As a result, the band-pass or band-stop filter characteristics can be easily obtained with one thin film resonator.
上記第1の局面による薄膜型バルク波デバイスにおいて、好ましくは、複数の薄膜共振子は、互いに等しい厚みを有するとともに異なる幅を有している。このように構成することにより、複数の薄膜共振子の共振周波数を容易に異ならせることができる。 In the thin film bulk acoustic wave device according to the first aspect, the plurality of thin film resonators preferably have the same thickness and different widths. With this configuration, the resonance frequencies of the plurality of thin film resonators can be easily changed.
また、この発明の第2の局面による高周波デバイスは、上記第1の局面による薄膜バルク波素子を備える。すなわち、この高周波デバイスは、表面に凹部を有する基板と、凹部上に形成されている圧電体薄膜と、圧電体薄膜の上面上および下面上に形成されている電極とを含む薄膜共振器を備え、薄膜共振器の前記凹部上に位置する領域からなる薄膜共振子の厚み(h)と薄膜共振子の幅(w)との比(w/h)は、10以下である薄膜バルク波素子を含む。 A high frequency device according to a second aspect of the present invention includes the thin film bulk acoustic wave element according to the first aspect. That is, the high-frequency device includes a thin film resonator including a substrate having a concave portion on the surface, a piezoelectric thin film formed on the concave portion, and electrodes formed on the upper surface and the lower surface of the piezoelectric thin film. The ratio (w / h) of the thickness (h) of the thin film resonator comprising the region located on the concave portion of the thin film resonator to the width (w) of the thin film resonator is 10 or less. Including.
この第2の局面による高周波デバイスでは、上記のように、薄膜共振器の凹部上に位置する領域からなる薄膜共振子の幅wを厚みhの10倍以下とすることによって、この薄膜共振子の厚み方向(縦方向)の共振(縦振動)の共振周波数fhと平面方向(横方向)の共振(横振動)の共振周波数fwとを略等しいオーダーにすることができる。これにより、縦振動と横振動とが容易に結合することにより、縦振動の共振周波数fhよりも高い共振周波数fcを有する新たな共振モードが発生する。また、この新たに生じる縦振動と横振動とが結合した共振モードを利用することにより、薄膜共振子の厚みを小さくすることなく、その共振周波数を大きくすることができるので、薄膜共振子の強度が低下しにくく、また、薄膜共振子の厚みについても横方向に分布が生じにくい。これにより、高い共振周波数を有する薄膜バルク波素子からなる高周波デバイスを信頼性よく得ることができる。 In the high-frequency device according to the second aspect, as described above, the width w of the thin film resonator formed of the region located on the concave portion of the thin film resonator is set to 10 times or less the thickness h, thereby The resonance frequency f h of resonance (longitudinal vibration) in the thickness direction (longitudinal direction) and the resonance frequency f w of resonance (lateral vibration) in the plane direction (lateral direction) can be set to substantially the same order. As a result, the longitudinal vibration and the transverse vibration are easily coupled to generate a new resonance mode having a resonance frequency f c higher than the resonance frequency f h of the longitudinal vibration. In addition, by using the resonance mode in which the newly generated longitudinal vibration and lateral vibration are combined, the resonance frequency can be increased without reducing the thickness of the thin film resonator, so that the strength of the thin film resonator can be increased. In addition, the thickness of the thin film resonator is less likely to be distributed in the lateral direction. Thereby, the high frequency device which consists of a thin film bulk wave element which has a high resonant frequency can be obtained reliably.
なお、本発明における「高周波デバイス」とは、例えば、高周波レゾネータ、バンドパスフィルタなどの高周波フィルタおよびデュプレクサなどがある。 The “high-frequency device” in the present invention includes, for example, a high-frequency filter such as a high-frequency resonator and a bandpass filter, a duplexer, and the like.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
この第1実施形態では、厚みと幅とが等しい薄膜共振子を1つ備える薄膜バルク波素子について説明する。
(First embodiment)
In the first embodiment, a thin film bulk acoustic wave device including one thin film resonator having the same thickness and width will be described.
図1は、本発明の第1実施形態による薄膜バルク波素子の平面図および断面図である。図1(a)は、薄膜バルク波素子の平面図であり、図1(b)は、薄膜バルク波素子の矢印A方向から見た断面図である。 FIG. 1 is a plan view and a cross-sectional view of a thin film bulk acoustic wave device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view of a thin film bulk acoustic wave device, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the thin film bulk acoustic wave device as viewed from the direction of arrow A.
まず、図1を参照して、本発明の第1実施形態による薄膜バルク波素子の構造について説明する。第1実施形態による薄膜バルク波素子では、図1(a)、図1(b)に示すように、約300μmの厚みを有するSi(100)からなる基板1の上面上および下面上には、それぞれ、約1μmの厚みを有するSi酸化膜2aおよび3aと、Si酸化膜2aおよび3a上に形成されている約0.2μmの厚みを有するSi窒化膜2bおよび3bとからなる保護膜2および3が形成されている。
First, the structure of a thin film bulk acoustic wave device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the thin film bulk acoustic wave device according to the first embodiment, as shown in FIGS. 1A and 1B, on the upper and lower surfaces of the
また、基板1と保護膜2および3との中央部には、約150μmの長さLおよび約11.4μmの幅Wの矩形の平面形状を有する貫通孔4が形成されている。
A through-
貫通孔4上には、この貫通孔4の中央を跨ぐように、長さL1および約1.4μmの幅W1の矩形の平面形状を有する薄膜共振器5が形成されている。この薄膜共振器5は、約1μmの膜厚を有するAlNからなる圧電体薄膜6と、圧電体薄膜6の上面上および下面上にそれぞれ形成された約0.2μmの厚みを有するMoからなる電極7および8とから構成されている。そして、薄膜共振器5の厚みhは、圧電体薄膜6の膜厚(約1μm)とその上面上および下面上に形成されている電極7および8の膜厚(それぞれ、約0.2μm)との合計(約1.4μm)であり、薄膜共振器5の幅W1と等しくされている。
A
薄膜共振器5の貫通孔4上に位置する矩形の平面形状を有する領域からなる薄膜共振子r1の周縁部は、それぞれ、長さLおよび幅W1を有する4つの辺からなり、幅W1を有する1組の対向する両辺側において、その全長に渡って保護膜2上に固定されている。また、薄膜共振子r1の周縁部のうち、長さLを有する両辺と基板1との間には、それぞれ、長さL(約150μm)と約5μmの幅とを有する開口部9および9が形成されている。これにより、薄膜共振子r1の周縁部の長さLを有する1組の対向する両辺は、その全長に渡って基板1および保護膜2から離れて貫通孔4上に位置している。
The peripheral edge portion of the thin film resonator r 1 , which is a region having a rectangular planar shape located on the through
また、電極7および8は、それぞれ、保護膜2上に形成されているパッド電極10および11と接続されているとともに、パッド電極10および11を介して図示していない外部の回路と接続されている。このようにして、本発明の第1実施形態による薄膜バルク波素子が構成されている。
The
本発明の第1実施形態による薄膜バルク波素子では、電極7および8に印加される高周波電力により、圧電体薄膜6の内部にバルク波が発生する。そして、薄膜共振器5の貫通孔4上に位置する長さLと幅W1とを有する矩形の平面形状を有する領域からなる薄膜共振子r1が実質的に共振器として機能する。
In the thin film bulk acoustic wave device according to the first embodiment of the present invention, bulk waves are generated inside the piezoelectric
次に、図1に示す第1実施形態の薄膜バルク波素子の製造方法について説明する。まず、約300μmの厚みを有するSi(100)からなる基板1の上面上および下面上に、熱酸化法により約1μmの厚みを有するSi酸化膜2aおよび3aをそれぞれ形成する。次に、スパッタ法により、Si酸化膜2aおよび3a上に、約0.2μmの厚みを有するSi窒化膜2bおよび3bをそれぞれ形成する。これにより、基板1の上面上および下面上に、それぞれ、Si酸化膜2aおよびSi窒化膜2bからなる保護膜2と、Si窒酸化膜3aおよびSi窒化膜3bとからなる保護膜3とを形成する。
Next, a method for manufacturing the thin film bulk acoustic wave device according to the first embodiment shown in FIG. 1 will be described. First, Si oxide films 2a and 3a having a thickness of about 1 μm are respectively formed on the upper surface and the lower surface of the
次に、フォトリソグラフ工程により形成したレジストパターンをマスクとして、基板1の下面上の保護膜3の中央部を平面形状が矩形になるようにエッチングする。さらに、この保護膜3をマスクとして基板1の下面から上面に向かってエッチングを行う。このとき、基板1の上面側のSiおよび保護膜2の厚みが約50μm程度残るようにエッチングを途中で停止する。これにより、基板1の下面に貫通孔4の一部となる凹部を形成する。このとき、エッチング液としては、TMAH(テトラメチルアンモニウムハイドレート)を約22%含有する水溶液を用いるのが好ましい。これにより、Si(100)からなる基板1は、(100)面が選択的にエッチングされ、貫通孔4は、主に基板1の深さ方向にエッチングされる。そして、この凹部の各側面は、基板1の下面に対して傾斜し、基板1の下面から上面に向かって断面形状が小さくなるように形成される。
Next, using the resist pattern formed by the photolithography process as a mask, the central portion of the
次に、スパッタ法により、保護膜2上に約0.2μmの厚みを有するMo薄膜を形成した後、このMo薄膜を部分的にエッチングすることにより、基板1の中央部に長さL1および約1.4μmの幅W1の矩形の平面形状を有する電極8、および、電極8と接続されているパッド電極11を形成する。
Next, after forming a Mo thin film having a thickness of about 0.2 μm on the
次に、誘導結合プラズマ(Inductively coupled plasma:ICP)支援RFマグネトロンスパッタ装置を用いて、スパッタ法により、保護膜2および電極8上に高い配向性を有するAlN薄膜を形成した後、電極8以外の保護膜2上の領域に形成されたAlN薄膜をエッチングにより除去する。これにより、電極8上に長さL1および幅W1の矩形の平面形状を有するAlNからなる圧電体薄膜6を形成する。
Next, an AlN thin film having a high orientation is formed on the
さらに、圧電体薄膜6および保護膜2の上に、約0.2μmの厚みを有するMo薄膜を形成した後、このMo薄膜を部分的にエッチングすることにより、圧電体薄膜6上に長さL1および幅W1の矩形の平面形状を有するMoからなる電極7、および、保護膜2上に電極7と接続されているパッド電極10を形成する。これにより、圧電体薄膜6と圧電体薄膜6の上面上および下面上に形成された電極7および8とから構成される薄膜共振器5が形成される。
Further, a Mo thin film having a thickness of about 0.2 μm is formed on the piezoelectric
その後、基板1の下面に形成された上記凹部の上面から基板1および保護膜2の中央部をエッチングすることにより、基板1および保護膜2、3を貫通するとともに、基板1および保護膜2の上面側において長さLおよび幅Wの矩形の平面形状を有する貫通孔4が形成される。このようにして、本発明の第1実施形態による薄膜バルク波素子が作製される。
Thereafter, the central portion of the
図2は、上記ICP支援RFマグネトロンスパッタ装置の概略図である。この装置では、チャンバー51内に反応ガスを導入し、RF電源52を用いてターゲット53にRF電力を印加することによりターゲット53をスパッタすることができる。そして、ターゲット53の上方に配置した基板54上に薄膜形成を行うことができる。このとき、本装置では、ターゲット53のスパッタと同時に、RF電源55を用いてターゲット53と基板54との間に設置したコイル56にRF電力を印加することにより、ターゲット53からスパッタされた粒子のイオン化を促進することができる。これにより、基板54に対するダメージを与えにくくなるので、高い配向性と緻密な膜構造を有する薄膜を基板54上に形成することができる。
FIG. 2 is a schematic view of the ICP-assisted RF magnetron sputtering apparatus. In this apparatus, the target 53 can be sputtered by introducing a reactive gas into the
上記ICP支援RFマグネトロンスパッタ装置により圧電体薄膜6に用いるAlN薄膜を形成する場合には、上記装置において、ターゲット53はAlからなる。また、反応ガスとしては、ArとN2の混合ガスを用いることが好ましい。さらに、AlN薄膜を形成する場合には、基板54の背面のヒータ57により基板54を加熱することが好ましい。表1に、上記のICP支援RFマグネトロンスパッタ装置を用いてAlN薄膜を形成する場合の主な成膜条件を示す。
When the AlN thin film used for the piezoelectric
本実施形態の薄膜バルク波素子では、上記のように、薄膜共振器5の貫通孔4上に位置する領域からなる薄膜共振子r1の厚みh(約1.4μm)と幅W1(約1.4μm)との比(W1/h)は、約1であるので、この薄膜共振子r1の厚み方向(縦方向)の共振(縦振動)の共振周波数fhと平面方向(横方向)の共振(横振動)の共振周波数fwとを等しくすることができる。これにより、縦振動と横振動とが容易に結合することにより、縦振動の共振周波数fhよりも高い共振周波数fcを有する新たな共振モードが発生する。
In the thin film bulk acoustic wave device of the present embodiment, as described above, the thickness h (about 1.4 μm) and the width W1 (about 1) of the thin film resonator r 1 composed of the region located on the through
そして、この新たに生じる縦振動と横振動とが結合した共振モードを利用することにより、薄膜共振子r1の厚みhを小さくすることなく、薄膜共振子r1の共振周波数fcを大きくすることができるので、薄膜共振子r1の強度が低下しにくく、また、薄膜共振子r1の厚みhについても横方向に分布が生じにくい。その結果、高い共振周波数を有する薄膜バルク波素子を信頼性よく得ることができる。 By utilizing the resonant mode this and the newly generated longitudinal vibration and lateral vibration are bonded, without reducing the thickness h of the thin film resonator r 1, to increase the resonance frequency f c of the thin film resonator r 1 As a result, the strength of the thin film resonator r 1 is unlikely to decrease, and the thickness h of the thin film resonator r 1 is also unlikely to be distributed in the lateral direction. As a result, a thin film bulk acoustic wave device having a high resonance frequency can be obtained with high reliability.
したがって、この実施形態においては、高い共振周波数を有する薄膜バルク波素子を容易に得ることができる。 Therefore, in this embodiment, a thin film bulk acoustic wave device having a high resonance frequency can be easily obtained.
(第2実施形態)
この第2実施形態では、等しい共振周波数を有する薄膜共振子を複数備える薄膜バルク波素子について説明する。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, a thin film bulk acoustic wave device including a plurality of thin film resonators having equal resonance frequencies will be described.
図4は、本発明の第2実施形態による薄膜バルク波素子の平面図および断面図である。図4(a)は、薄膜バルク波素子の平面図であり、図4(b)は、薄膜バルク波素子の矢印A方向から見た断面図である。 FIG. 4 is a plan view and a cross-sectional view of a thin film bulk acoustic wave device according to a second embodiment of the present invention. 4A is a plan view of the thin film bulk acoustic wave device, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the thin film bulk acoustic wave device as viewed from the direction of arrow A.
まず、図4を参照して、本発明の第2実施形態による薄膜バルク波素子の構造について説明する。なお、第1実施形態による薄膜バルク波素子と共通する構成については説明を省略する。 First, the structure of a thin film bulk acoustic wave device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure which is common in the thin film bulk acoustic wave device by 1st Embodiment.
第2実施形態による薄膜バルク波素子では、約150μmの長さLおよび約37μmの幅Wの矩形の平面形状を有する貫通孔4上には、この貫通孔4を跨ぐように、梯子状の平面形状を有する薄膜共振器15が形成されている。この薄膜共振器15は、約1μmの膜厚を有するAlNからなる圧電体薄膜16と、圧電体薄膜16の上面上および下面上にそれぞれ形成された約0.2μmの厚みを有するMoからなる電極17および18とから構成されている。
In the thin film bulk acoustic wave device according to the second embodiment, a ladder-like plane is formed so as to straddle the through
薄膜共振器15の貫通孔4上に位置する長さLおよび幅W1の矩形の平面形状をそれぞれ有する領域からなる5つの薄膜共振子r1、r1、・・・の厚みhは、それぞれ、圧電体薄膜16の膜厚(約1μm)とその上面上および下面上に形成されている電極17および18の膜厚(それぞれ、約0.2μm)との合計(約1.4μm)であり、等しくされている。
The thicknesses h of the five thin film resonators r 1 , r 1 ,..., Each of which has a rectangular planar shape with a length L and a
薄膜共振器15の貫通孔4上に位置する矩形の平面形状を有する領域からなる薄膜共振子r1、r1、・・・の周縁部は、それぞれ、長さLまたはW1を有する4つの辺からなり、長さW1を有する1組の対向する両辺側において、その全長W1に渡って保護膜2上に固定されている。また、薄膜共振子r1、r1、・・・の周縁部のうち、長さLを有する辺と基板1との間および長さLを有する辺同士の間には、それぞれ、約150μmの長さと約5μmの幅とを有する開口部9、9、・・・が形成されている。これにより、薄膜共振子r1、r1、・・・の周縁部の長さLを有する1組の対向する両辺は、その全長Lに渡って基板1および保護膜3から離れて貫通孔4上に位置している。そして、開口部9、9、・・・により、各薄膜共振子r1、r1、・・・は互いに離隔されている。
The peripheral portions of the thin film resonators r 1 , r 1 ,..., Each of which has a rectangular planar shape located on the through-
また、電極17および18は、それぞれ、保護膜2上に形成されているパッド電極10および11に接続されているとともに、パッド電極10および11を介して、図示していない外部の回路と接続されている。このようにして、本発明の第2実施形態による薄膜バルク波素子が構成されている。
The
本発明の第2実施形態による薄膜バルク波素子では、5つの薄膜共振子r1、r1、・・・の厚みh(約1.4μm)と幅W1(約1.4μm)との比(W1/h)は、それぞれ、約1であるので、各薄膜共振子r1、r1、・・・においても、縦振動の共振周波数fhよりも高い共振周波数fcを有する縦振動と横振動とが結合した新たな共振モードが発生する。このとき、各薄膜共振子r1、r1、・・・は、それぞれ、等しい厚みhを有するとともに等しい幅W1を有しているので、各薄膜共振器子r1、r1、・・・の共振周波数を容易に等しくすることができる。 In the thin film bulk acoustic wave device according to the second embodiment of the present invention, the ratio between the thickness h (about 1.4 μm) and the width W1 (about 1.4 μm) of the five thin film resonators r 1 , r 1 ,. W1 / h) is about 1, so that each of the thin film resonators r 1 , r 1 ,... Also has a longitudinal vibration and a lateral vibration having a resonance frequency f c higher than the resonance frequency f h of the longitudinal vibration. A new resonance mode combined with vibration is generated. At this time, since each thin film resonator r 1 , r 1 ,... Has the same thickness h and the same width W1, each thin film resonator r 1 , r 1 ,. Can be easily equalized.
また、各薄膜共振子r1、r1、・・・は、貫通孔4上において開口部9、9、・・・により互いに離隔されているので、薄膜共振子r1、r1、・・・を互いに音響的に分離することができる。これにより、各薄膜共振子r1、r1、・・・内において発生したバルク波は互いに干渉することがない。その結果、各薄膜共振子r1、r1、・・・はそれぞれ独立して、等しい共振周波数fcで共振することができる。
Further, since the thin film resonators r 1 , r 1 ,... Are separated from each other by the
さらに、5つの薄膜共振子r1、r1、・・・の上面上および下面上に形成されている電極7、7、・・・および8、8、・・・は、それぞれ共通のパッド電極10および11に接続されているので、5つの薄膜共振子r1、r1、・・・は、電気的に並列に接続されている。これらの結果、本実施形態の薄膜バルク波素子では、薄膜共振器15の共振周波数fcを変えることなく、薄膜バルク波素子のインピーダンスを変化させることができる。
Furthermore, five
(評価1)
次に、本発明の第1実施形態および第2実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性をシミュレーションにより評価した。
(Evaluation 1)
Next, the resonance characteristics of the thin film bulk acoustic wave device according to the first embodiment and the second embodiment of the present invention were evaluated by simulation.
図5は、本発明の第1実施形態および第2実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性を評価するために用いた等価回路図とその共振特性を示す特性図である。この評価1におけるシミュレーションに用いた薄膜バルク波素子R1は、互いに並列に接続されているとともに、n個(n=1、5および10)の薄膜共振子rs1〜rsnを有する薄膜共振器25を備えている。そして、図5の等価回路図に示すように、薄膜共振器25は、一方の信号線に対して直列接続されている。また、各薄膜共振子rs1〜rsnは、その厚みhと幅W1とがそれぞれ等しい、即ち、厚みhと幅W1との比(W1/h)が約1である。したがって、この評価1に用いた薄膜バルク波素子R1では、各薄膜共振子rs1〜rsnの平面方向(横方向)の共振(横振動)の共振周波数fwは、縦振動の共振周波数fhに等しくなる。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram used for evaluating the resonance characteristics of the thin film bulk acoustic wave device according to the first and second embodiments of the present invention and a characteristic diagram showing the resonance characteristics. The thin film bulk acoustic wave element R1 used for the simulation in the
図5においては、横軸は、薄膜バルク波素子R1への入力信号の周波数を各薄膜共振子rs1〜rsnの厚み方向(縦方向)の共振(縦振動)の共振周波数fhで規格化した値を示しており、縦軸は、各周波数における薄膜バルク波素子R1からの出力信号の大きさ(透過率)を示している。なお、この評価1では、上記共振周波数fhは、入出力端子間のインピーダンスが最大となる反共振周波数fahを意味している。
In FIG. 5, the horizontal axis indicates the frequency of the input signal to the thin film bulk acoustic wave element R <b > 1 with the resonance frequency f h of resonance (longitudinal vibration) in the thickness direction (longitudinal direction) of each thin film resonator r s1 to r sn. The vertical axis represents the magnitude (transmittance) of the output signal from the thin film bulk acoustic wave element R1 at each frequency. In this
図5に示すように、各薄膜バルク波素子R1の共振特性においては、それぞれ、共振周波数fahにおいて、縦振動による下向き(透過率が減少する方向)のピークが見られるとともに、fahの約1.414倍付近の周波数facにおいて、より大きな下向きのピークも見られる。この共振周波数facは、上記数式(1)より、縦振動の共振周波数fahと横振動の共振周波数fawとが結合した新たな共振モードの共振周波数と略一致することが判明した。 As shown in FIG. 5, in the resonance characteristics of each thin film bulk acoustic wave element R1, a downward peak due to longitudinal vibration (direction in which the transmittance decreases) is observed at the resonance frequency fah , and about fah . A larger downward peak is also seen at a frequency f ac near 1.414 times. From the above equation (1), it is found that this resonance frequency f ac substantially coincides with the resonance frequency of a new resonance mode in which the resonance frequency f ah of longitudinal vibration and the resonance frequency f aw of transverse vibration are combined.
さらに、並列に接続されている薄膜共振子rs1〜rsnの数(n)が大きくなっても上記共振周波数facは変化せずに、nが大きくなるほど下向きの共振のピークが小さくなり、共振周波数facにおける透過率が大きくなることが判明した。 Further, the resonance frequency f ac does not change even when the number (n) of the thin film resonators r s1 to r sn connected in parallel increases, and the peak of the downward resonance decreases as n increases, It has been found that the transmittance at the resonance frequency f ac increases.
(評価2)
図6は、本発明の第1実施形態および第2実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性を評価するために用いた等価回路図とその共振特性を示す特性図である。この評価2におけるシミュレーションに用いた薄膜バルク波素子R2は、互いに並列に接続されているとともに、n個(n=1、5および10)の薄膜共振子rp1〜rpnを有する薄膜共振器35を備えている。そして、図6の等価回路図に示すように、薄膜共振器35は、2つの信号線(一方は接地されている)に対して並列接続されている。また、各薄膜共振子rp1〜rpnは、その厚みhと幅W1との比(W1/h)が約2である。したがって、この評価2に用いた薄膜バルク波素子R2では、各薄膜共振子rp1〜rpnの平面方向(横方向)の共振(横振動)の共振周波数fwは、縦振動の共振周波数fhの約1/2倍の値となる。
(Evaluation 2)
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram used to evaluate the resonance characteristics of the thin film bulk acoustic wave device according to the first and second embodiments of the present invention and a characteristic diagram showing the resonance characteristics. The thin film bulk acoustic wave element R2 used for the simulation in the
図6においては、横軸は、薄膜バルク波素子R2への入力信号の周波数を各薄膜共振子rp1〜rpnの縦振動の共振周波数fhで規格化した値を示しており、縦軸は、各周波数における薄膜バルク波素子R2からの出力信号の大きさ(透過率)を示している。なお、この評価2では、上記共振周波数fhは、入出力端子間のインピーダンスが最小となる狭義の共振周波数frhを意味している。
In FIG. 6, the horizontal axis indicates a value obtained by normalizing the frequency of the input signal to the thin film bulk acoustic wave element R2 by the resonance frequency f h of the longitudinal vibration of each thin film resonator r p1 to r pn. Indicates the magnitude (transmittance) of the output signal from the thin film bulk acoustic wave element R2 at each frequency. In this
図6に示すように、各薄膜バルク波素子R2の共振特性においては、それぞれ、共振周波数frhにおいて、縦振動による下向きの共振のピークが見られるとともに、frhの約1.118倍付近の周波数frcにおいて、より大きな下向きのピークも見られる。この共振周波数frcは、上記数式(1)より、縦振動の共振周波数frhと横振動の共振周波数frwとが結合した新たな共振モードの共振周波数と略一致することが判明した。 As shown in FIG. 6, in the resonance characteristic of the film bulk acoustic wave device R2, respectively, at the resonant frequency f rh, with peak downward resonance by longitudinal vibration is observed, in the vicinity of about 1.118 times f rh A larger downward peak is also seen at the frequency frc . The resonance frequency f rc, from the equation (1), the resonance frequency f rh of the longitudinal vibration and the resonance frequency f rw of the lateral vibration is substantially coincident with the resonance frequency of the new resonant modes bound was found.
さらに、並列に接続されている薄膜共振子rp1〜rpnの数(n)が大きくなっても上記共振周波数frcは変化せずに、nが大きくなるほど下向きの共振のピークが大きくなり、共振周波数frcにおける透過率が小さくなることが判明した。 Further, even if the number (n) of the thin film resonators r p1 to r pn connected in parallel increases, the resonance frequency f rc does not change, and as n increases, the downward resonance peak increases. It was found that the transmittance at the resonance frequency frc is small.
(評価3〜7)
さらに、評価3〜評価5において、本発明の第1実施形態および第2実施形態によるさらに他の薄膜バルク波素子についても上記評価2と同様の等価回路を用いてその共振特性を評価した。評価3〜評価5では、以下の表2に示すように、各薄膜共振子rp1〜rpnの厚み(h)と幅(W1)との比(W1/h)が約0.5、約5.0および約10である薄膜バルク波素子を用いた。
(Evaluation 3-7)
Furthermore, in
また、比較として、上記評価3〜評価5で用いた薄膜バルク波素子に代えて、評価6では、幅が厚みの約20倍である薄膜共振子を、評価7では、幅が厚みの約100倍である薄膜共振子を、それぞれ1つ備える従来の薄膜バルク波素子を用いた。
For comparison, instead of the thin film bulk acoustic wave element used in the
以上の評価1〜評価7において、新たな共振モードの共振周波数fcと、共振周波数fcにおける透過率を表2に示す。なお、表2の共振周波数fcは、評価2〜7については、評価2における縦振動の共振周波数frhの値で規格化した周波数を、また、評価1については、評価1における縦振動の共振周波数fahの値で規格化した周波数を、それぞれ用いた。
In the
これに対して、W1/hが10以下の場合には、縦振動と横振動とが結合した縦振動の共振周波数fahよりも大きい共振周波数fcを有する新たな共振モードが生じていることがわかった。また、W1/hが小さいほど、新たな共振モードの共振周波数fcは、大きくなることがわかった。 On the other hand, when W1 / h is 10 or less, a new resonance mode having a resonance frequency f c higher than the resonance frequency f ah of the longitudinal vibration in which the longitudinal vibration and the transverse vibration are combined is generated. I understood. Further, as the W1 / h is small, the resonance frequency f c of the new resonance mode was found to increase.
さらに、各評価において、互いに並列接続されている薄膜共振子の数に関わらず、新たな共振モードの共振周波数fcは等しいとともに、互いに並列接続されている薄膜共振子の数が大きくなるほど、評価1では、共振周波数fcにおける透過率が大きく、評価2〜5では、逆に、共振周波数fcにおける透過率が小さくなっていることが判明した。これより、本発明の第1実施形態および第2実施形態による薄膜バルク波素子では、共振周波数fcを変化させることなく、薄膜バルク波素子のインピーダンスを変化させることができることがわかった。 Further, each evaluation, regardless of the number of thin-film resonator are connected in parallel, with the resonance frequency f c is equal new resonance mode, the larger the number of thin-film resonator are connected in parallel to each other, evaluate in 1, a large transmittance at the resonance frequency f c, the evaluation 2-5, conversely, it was found that the transmittance at the resonance frequency f c is smaller. Than this, a thin film bulk acoustic wave device according to the first embodiment and the second embodiment of the present invention, without changing the resonance frequency f c, it was found that it is possible to change the impedance of the thin film bulk acoustic wave device.
(第3実施形態)
この第3実施形態では、異なる共振周波数を有する薄膜共振子を複数備える薄膜バルク波素子について説明する。
(Third embodiment)
In the third embodiment, a thin film bulk acoustic wave device including a plurality of thin film resonators having different resonance frequencies will be described.
図7は、本発明の第3実施形態による薄膜バルク波素子の平面図および断面図である。図7(a)は、薄膜バルク波素子の平面図であり、図7(b)は、薄膜バルク波素子の矢印A方向から見た断面図である。 FIG. 7 is a plan view and a cross-sectional view of a thin film bulk acoustic wave device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 7A is a plan view of the thin film bulk acoustic wave device, and FIG. 7B is a cross-sectional view of the thin film bulk acoustic wave device as viewed from the direction of arrow A.
まず、図7を参照して、本発明の第3実施形態による薄膜バルク波素子の構造について説明する。なお、第2実施形態による薄膜バルク波素子と共通する構成については説明を省略する。 First, the structure of a thin film bulk acoustic wave device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, description is abbreviate | omitted about the structure which is common in the thin film bulk acoustic wave device by 2nd Embodiment.
第3実施形態による薄膜バルク波素子では、約50μmの長さLおよび約33.05μmの幅Wの矩形の平面形状を有する貫通孔4上には、この貫通孔4を跨ぐように、梯子状の平面形状を有する薄膜共振器45が形成されている。この薄膜共振器45は、約1μmの膜厚を有するAlNからなる圧電体薄膜46と、圧電体薄膜46の上面上および下面上にそれぞれ形成された約0.2μmの厚みを有するMoからなる電極47および48とから構成されている。
In the thin film bulk acoustic wave device according to the third embodiment, a ladder shape is formed so as to straddle the through
薄膜共振器25の貫通孔4上に位置する長さLと、約1.4μmの幅W1、約1.75μmの幅W2、約2.1μmの幅W3および約2.8μmの幅W4との矩形の平面形状をそれぞれ有する領域からなる4つの薄膜共振子r1〜r4の厚みhは、それぞれ、圧電体薄膜26の膜厚(約1μm)とその上面上および下面上に形成されている電極47および48の膜厚(それぞれ、約0.2μm)との合計(約1.4μm)であり、等しくされている。
A length L located on the through
また、電極47および48は、それぞれ、保護膜2上に形成されているパッド電極10および11に接続されているとともに、パッド電極10および11を介して、図示していない外部の回路と接続されている。このようにして、本発明の第3実施形態による薄膜バルク波素子が構成されている。
The
本発明の第3実施形態による薄膜バルク波素子では、第2実施形態と同様に、4つの薄膜共振子r1〜r4は、それぞれ、独立して共振することができる。 In the thin film bulk acoustic wave device according to the third embodiment of the present invention, as in the second embodiment, the four thin film resonators r 1 to r 4 can resonate independently.
また、各薄膜共振子r1〜r4の厚みh(約1.4μm)と幅W1〜W4(約1.4μm〜約2.8μm)との比(W1/h、W2/h、W3/h、W4/h)は、それぞれ、約1、約1.25、約1.5、約2.0であり、等しいオーダーであるので、縦振動の共振周波数fhよりも高い共振周波数fcを有する縦振動と横振動とが結合した新たな共振モードで振動することができる。このとき、各薄膜共振子r1〜r4の幅W1〜W4がそれぞれ異なっているので、各薄膜共振子r1〜r4において生じる新たな共振モードの共振周波数fcを容易に異ならせることができる。
Further, the ratio (W1 / h, W2 / h, W3 /) of the thickness h (about 1.4 μm) and the width W1 to W4 (about 1.4 μm to about 2.8 μm) of each thin film resonator r 1 to r 4. h, W4 / h) are about 1, about 1.25, about 1.5, and about 2.0, respectively, and are on the same order, so that the resonance frequency f c is higher than the resonance frequency f h of the longitudinal vibration. It is possible to vibrate in a new resonance mode in which longitudinal vibration and transverse vibration having In this case, the width W1~W4 of each of the
さらに、これらの薄膜共振子r1〜r4が電気的に並列に接続されているので、各薄膜共振子r1〜r4の周波数特性を重ね合わせた周波数特性を有する薄膜共振器を得ることができる。 Furthermore, since these thin film resonators r 1 to r 4 are electrically connected in parallel, a thin film resonator having a frequency characteristic obtained by superimposing the frequency characteristics of the thin film resonators r 1 to r 4 is obtained. Can do.
(評価8)
ここで、第3実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性をシミュレーションにより評価した。
(Evaluation 8)
Here, the resonance characteristics of the thin film bulk acoustic wave device according to the third embodiment were evaluated by simulation.
図8は、本発明の第3実施形態による薄膜バルク波素子の共振特性を評価するために用いた等価回路図とその共振特性を示す特性図である。この評価8におけるシミュレーションに用いた薄膜バルク波素子は、互いに並列に接続されているとともに、互いに異なる共振周波数fcを有する4つの薄膜共振子rp1〜rp4を有する薄膜共振器45を備えている。そして、図8の等価回路図に示すように、薄膜共振器45は、2つの信号線(一方は接地されている)に対して並列接続されている。
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram used for evaluating the resonance characteristics of the thin film bulk acoustic wave device according to the third embodiment of the present invention and a characteristic diagram showing the resonance characteristics. Film bulk acoustic wave device used in the simulation in this evaluation. 8, along with being connected in parallel with each other, provided with a
図8においては、横軸は、薄膜バルク波素子への入力信号の周波数を、各薄膜共振子rp1〜r4の縦振動の共振周波数fhで規格化した値を示しており、縦軸は、各周波数における薄膜バルク波素子からの出力信号の大きさ(透過率)を示している。なお、この評価8では、上記共振周波数fhは、入出力端子間のインピーダンスが最小となる狭義の共振周波数frhを意味している。
In FIG. 8, the horizontal axis indicates a value obtained by normalizing the frequency of the input signal to the thin film bulk acoustic wave element by the resonance frequency f h of the longitudinal vibration of each of the thin film resonators r p1 to r 4. Indicates the magnitude (transmittance) of the output signal from the thin film bulk acoustic wave element at each frequency. In this
図8に示すように、本実施形態の薄膜バルク波素子の共振特性においては、共振周波数frhにおいて、縦振動による下向きの共振の小さなピークが見られるとともに、frhの約1.1〜約1.4倍の周波数にわたって、より大きな透過率の減衰が見られる。これにより、本実施形態の薄膜バルク波素子では、共振周波数frhの約1.1〜約1.4倍の周波数帯域において、入力信号を阻止する帯域阻止型のフィルタ特性を得ることができることがわかった。 As shown in FIG. 8, in the resonance characteristics of the thin film bulk acoustic wave device according to the present embodiment, a small peak of downward resonance due to longitudinal vibration is seen at the resonance frequency frh , and about 1.1 to about frh of frh. Greater transmission attenuation is seen over 1.4 times the frequency. Thereby, in the thin film bulk acoustic wave device of this embodiment, it is possible to obtain a band rejection type filter characteristic that blocks an input signal in a frequency band of about 1.1 to about 1.4 times the resonance frequency frh. all right.
(第4実施形態)
この第4実施形態では、第2実施形態による薄膜バルク波素子を2つ備える高周波フィルタについて説明する。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, a high frequency filter including two thin film bulk acoustic wave devices according to the second embodiment will be described.
図9は、本発明の第4実施形態の高周波フィルタの等価回路図とその周波数特性を示す特性図である。 FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a high frequency filter according to a fourth embodiment of the present invention and a characteristic diagram showing frequency characteristics thereof.
この等価回路図に示すように、本実施形態の高周波フィルタは、評価1で用いた薄膜バルク波素子R1および評価2で用いた薄膜バルク波素子R2を備えている。薄膜バルク波素子R1中の薄膜共振器25は、一方の信号線に対して直列接続されているとともに、5つの薄膜共振子rs1〜rs5を有している。そして、各薄膜共振子rs1〜rs5は、それぞれの厚みhと幅W1との比(W1/h)が約1である。また、薄膜バルク波素子R2中の薄膜共振器35は、2つの信号線(一方は接地されている)に対して並列接続されているとともに、5つの薄膜共振子rp1〜rp5を有している。そして、各薄膜共振子rp1〜rp5は、それぞれの厚みhと幅W2との比(W2/h)が約0.5である。
As shown in this equivalent circuit diagram, the high frequency filter of the present embodiment includes the thin film bulk acoustic wave element R1 used in
また、図9の特性図においては、横軸は、高周波フィルタへの入力信号の周波数を各薄膜共振子rs1〜rs5およびrp1〜rp5の縦振動の共振周波数fhで規格化した値を示しており、縦軸は、各周波数における高周波フィルタからの出力信号の大きさ(透過率)を示している。なお、この実施形態では、上記共振周波数fhは、入出力端子間のインピーダンスが最大となる反共振周波数fahを意味している。 In the characteristic diagram of FIG. 9, the horizontal axis normalizes the frequency of the input signal to the high frequency filter by the resonance frequency f h of the longitudinal vibration of each thin film resonator r s1 to r s5 and r p1 to r p5 . The vertical axis represents the magnitude (transmittance) of the output signal from the high frequency filter at each frequency. In this embodiment, the resonance frequency f h means an anti-resonance frequency f ah that maximizes the impedance between the input and output terminals.
図9に示すように、本実施形態による高周波フィルタにおいては、共振周波数fahの約1.1倍および約1.4倍の周波数において、大きな下向きのピークが見られることから、それぞれのピークの間の周波数帯域において、入力信号が通過することができる通過帯域型のフィルタ特性を得ることができることがわかった。 As shown in FIG. 9, in the high frequency filter according to the present embodiment, large downward peaks are observed at frequencies about 1.1 times and about 1.4 times the resonance frequency fah . It was found that a passband type filter characteristic that allows an input signal to pass through can be obtained in a frequency band between.
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
たとえば、上記各実施形態では、基板1には、貫通孔4が形成されていたが、本発明はこれに限らず、薄膜共振子r1となる領域が基板1および保護膜2から離れるように、基板1および保護膜2の上面に凹部を形成してもよい。
For example, in each of the embodiments described above, the through
また、上記各実施形態では、薄膜共振子は矩形の平面形状を有する領域から構成されていたが、本発明はこれに限らず、正方形の平面形状であってもよい。また、矩形以外の多角形やいずれかの辺が曲線であっても、実質的に略矩形あるいは略正方形の平面形状を有していればよい。 In each of the above embodiments, the thin film resonator is configured from a region having a rectangular planar shape. However, the present invention is not limited to this, and may be a square planar shape. Moreover, even if it is a polygon other than a rectangle or one of the sides is a curved line, it may have a substantially rectangular or substantially square planar shape.
また、上記各実施形態では、基板1の上面上および下面上には、保護膜2および3が形成されていたが、本発明はこれに限らず、保護膜2および3は形成されていなくてもよい。
In each of the above embodiments, the
また、第4実施形態の高周波フィルタでは、本実施形態による薄膜バルク波素子から構成されていたが、本発明はこれに限らず、本実施形態以外の薄膜バルク波素子を含んでいてもよく、あるいは、他の電気素子を含んでもよい。 In addition, the high frequency filter of the fourth embodiment is configured by the thin film bulk acoustic wave device according to the present embodiment, but the present invention is not limited thereto, and may include a thin film bulk acoustic wave device other than the present embodiment. Alternatively, other electric elements may be included.
1 基板
2、3 保護膜
2a、3a Si酸化膜
2b、3b Si窒化膜
4 貫通孔
5 薄膜共振器
5a 薄膜共振子
6 圧電体薄膜
7、8 電極
9 開口部
10、11 パッド電極
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記凹部上に形成されている圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の上面上および下面上に形成されている電極とを含む薄膜共振器を備え、
前記薄膜共振器の前記凹部上に位置する領域からなる薄膜共振子の厚み(h)と前記薄膜共振子の幅(w)との比(w/h)は、10以下である、薄膜バルク波素子。 A substrate having a recess on the surface;
A piezoelectric thin film formed on the recess;
A thin film resonator including electrodes formed on the upper surface and the lower surface of the piezoelectric thin film;
A thin film bulk wave having a ratio (w / h) of a thickness (h) of a thin film resonator formed of a region located on the concave portion of the thin film resonator to a width (w) of the thin film resonator is 10 or less element.
前記複数の薄膜共振子は、互いに電気的に並列に接続されているとともに等しい共振周波数を有している、請求項1に記載の薄膜バルク波素子。 A plurality of the thin film resonators separated from each other by an opening,
The thin film bulk acoustic wave device according to claim 1, wherein the plurality of thin film resonators are electrically connected to each other in parallel and have the same resonance frequency.
前記複数の薄膜共振子は、互いに電気的に並列に接続されているとともに異なる共振周波数を有している、請求項1に記載の薄膜バルク波素子。 A plurality of the thin film resonators separated from each other by an opening,
The thin film bulk acoustic wave device according to claim 1, wherein the plurality of thin film resonators are electrically connected to each other in parallel and have different resonance frequencies.
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