JP2012165288A - 弾性波デバイスおよびフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】共振特性の劣化を抑制すること。
【解決手段】本発明は、基板１０と、前記基板１０上に設けられた圧電膜１４と、前記圧電膜１４の少なくとも一部を挟んで設けられた下部電極１２および上部電極１６と、前記圧電膜１４を挟み前記下部電極１２および上部電極１６が対向する共振領域５０内に、複数の第１パターンと前記複数の第１パターンを連結する第２パターンとから構成された質量負荷膜２８と、を具備する弾性波デバイスである。
【選択図】図２

Description

本発明は、弾性波デバイスおよびフィルタに関し、例えば圧電薄膜共振器を含む弾性波デバイスおよびフィルタに関する。

圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば無線機器等のフィルタとして用いられている。圧電薄膜共振器は、圧電薄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。圧電薄膜共振器の共振周波数は、圧電薄膜を挟み下部電極と上部電極が対向する領域（以下、共振領域）の膜厚（例えば構成材料が異なる場合には、構成材料および膜厚）によって定められる。

圧電薄膜共振器の共振周波数を異ならせるため、共振領域内に質量負荷膜を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１）。また、共振領域内に開口を有する質量負荷膜を形成する技術が知られている（例えば、特許文献２〜５）共振領域内にストライプ状の質量負荷膜を形成する技術が知られている（例えば、特許文献６）。特許文献１〜６によれば、共振器毎に共振周波数の調整を行なうことができる。

特開２００２−３３５１４１号公報 特表２００２−５１５６６７号公報 米国特許６６５７３６３号明細書 特開２００８−１７２４９４号公報 国際公開２０１０／０６１４７９号パンフレット 特表２００７−５３５２７９号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、共振周波数が異なる共振器を形成するために異なる膜厚の質量負荷膜を形成することになる。よって、複数回の成膜工程、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行なうことになる。このため、製造工程が複雑化し、製造コストが上昇してしまう。また、特許文献２〜６の方法では、共振領域内にパターニングされた質量負荷膜によるスプリアスの強度が増加し共振特性が劣化するという課題、その結果、周波数を調整できる範囲が狭くなるという課題が発生する。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、共振特性の劣化を抑制す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圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで設けられ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および上部電極が対向する共振領域内に、複数の第１パターンと前記複数の第１パターンを連結する第２パターンとから構成された質量負荷膜と、を具備することを特徴とする弾性波デバイスである。本発明によれば、共振特性の劣化を抑制することができる。

上記構成において、前記第２パターンの幅は、前記複数の第１パターンの幅より小さい構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の第１パターンは周期的に配置されている構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の第１パターンは同一形状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パターンの幅は同じである構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の第１パターンおよび第２パターンは、前記質量負荷膜が形成されたパターン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１パターンおよび前記第２パターンは、前記質量負荷膜に形成された開口から形成されたパターンである構成とすることができる。

上記構成において、前記質量負荷膜は、前記下部電極または前記上部電極を構成する材料とは異なる材料により構成される構成とすることができる。

上記構成において、前記質量負荷膜は、複数の層に形成されている構成とすることができる。

上記構成において、前記下部電極は、前記基板の平坦主面との間にドーム状の空隙を有するように形成されている構成とするとことができる。

本発明は、上記弾性波デバイスを備えるフィルタである。

上記構成において、前記弾性波デバイスは複数設けられ、前記複数の弾性波デバイスのうち少なくとも２つの弾性波デバイスにおいて、前記第１パターンおよび前記第２パターンが前記共振領域を占める割合が異な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２つの弾性波デバイスにおいて、前記質量負荷膜の膜厚が同じである構成とすることができる。

本弾性波デバイスによれば、共振特性の劣化を抑制することができる。

図１は、ラダー型フィルタを示す図である。 図２（ａ）は、実施例１の圧電薄膜共振器の上面図、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、それぞれ直列共振器および並列共振器の断面図である。 図３（ａ）は質量負荷膜の一例を示す上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図４（ａ）は質量負荷膜の別の一例を示す上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図５（ａ）から図５（ｄ）は、第１パターンと第２パターンの例を示す平面図（その１）である。 図６（ａ）から図６（ｄ）は、第１パターンと第２パターンの例を示す平面図（その２）である。 図７は、被覆率に対するパターンサイズＬｌ／パターン周期Ｌｐを示す図である。 図８（ａ）は、実施例１に係る共振領域の平面図、図８（ｂ）は比較例１に係る共振領域の平面図である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ実施例１および比較例１の共振器の反射特性のスミスチャートである。 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、それぞれ実施例１および比較例１の共振器の通過特性を示す図である。 図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、それぞれ変形例１、比較例２および比較例３の共振器の反射特性のスミスチャートである。 図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、それぞれ変形例１、比較例２および比較例３の共振器の通過特性を示す図である。 図１３は、実施例１の変形例１および比較例２における被覆率とパターン間隔Ｌｓとの関係を示す図である。 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例２の質量負荷膜の断面図である。 図１５（ａ）は、実施例３の直列共振器の断面図、図１５（ｂ）は、実施例３の並列共振器の断面図である。 図１６は、実施例4のラティス型フィルタを示す図である。 図１７は、実施例５のブロック図である。

以下、図面を参照に本発明に係る実施例について説明する。

まず、実施例１に係る弾性波デバイスが用いられる例としてラダー型フィルタについて説明する。図１は、ラダー型フィルタを示す図である。図１のように、ラダー型フィルタ１００は、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４および並列共振器Ｐ１〜Ｐ３を備えている。直列共振器Ｓ１〜Ｓ４は、入出力端子Ｔ１とＴ２との間に直列に接続されている。並列共振器Ｐ１〜Ｐ３は、入出力端子Ｔ１とＴ２との間に並列に接続されている。

図２（ａ）は、実施例１の圧電薄膜共振器の上面図、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、それぞれ直列共振器および並列共振器の断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。Ｓｉ基板である基板１０上に、基板１０の平坦主面との間に下部電極１２側にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されるように下部電極１２が設けられている。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の高さが高くなるような形状の膨らみである。下部電極１２はＣｒ（クロム）層とＣｒ層上のＲｕ（ルテニウム）層とを含んでいる。

下部電極１２上に、（００２）方向を主軸とするＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる圧電膜１４が設けられている。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。上部電極１６はＲｕ層１６ａとＲｕ層１６ａ上のＣｒ層１６ｂとを含んでいる。このように、圧電膜１４は、基板１０上に設けられ、圧電膜１４の少なくとも一部を挟んで下部電極１２および上部電極１６が設けられている。

共振領域５０内の上部電極１６上にＴｉ層からなる質量負荷膜２８が設けられている。上部電極１６および質量負荷膜２８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。積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、上部電極１６、質量負荷膜２８および周波数調整膜２４を含む。

図２（ａ）より下部電極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。図２（ａ）および図２（ｂ）のように、圧電膜１４には下部電極１２と電気的に接続するための開口部３６が設けられている。

図２（ａ）および図２（ｃ）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、Ｒｕ層１６ａとＣｒ層１６ｂとの間に、Ｔｉ（チタン）層からなる質量負荷膜２０が設けられている。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２（ｂ）と同じであり説明を省略する。

図２（ｂ）および図２（ｃ）において、質量負荷膜２８は、上部電極１６と周波数調整膜２４との間に形成されているが、質量負荷膜２８は共振領域５０内の積層膜１８内に形成されていればよい。例えば、質量負荷膜２８は、周波数調整膜２４の上に形成されていてもよい。また、例えば、上部電極１６が複数の層により形成され、質量負荷膜２８は上部電極１６の複数の層間に形成されていてもよい。さらに、例えば、質量負荷膜２８は、圧電膜１４と上部電極１６との間に形成されていてもよい。さらに、例えば、質量負荷膜２８は、下部電極１２と圧電膜１４との間に形成されていてもよい。さらに、下部電極１２が複数の層により形成され、質量負荷膜２８は下部電極１２の複数の層間に形成されていてもよい。さらに、例えば、質量負荷膜２８は下部電極１２の下に形成されていてもよい。

２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、下部電極１２のＣｒ層の膜厚は１００ｎｍ、Ｒｕ層の膜厚は２００ｎｍ、ＡｌＮ層からなる圧電膜１４の膜厚は１２５０ｎｍである。Ｒｕ層１６ａの膜厚は２５０ｎｍ、Ｃｒ層１６ｂの膜厚は２０ｎｍ、Ｔｉ層からなる質量負荷膜２８の膜厚は２５ｎｍである。Ｔｉ層からなる質量負荷膜２０の膜厚は１２５ｎｍである。各層の膜厚は、所望の共振周波数を得るため適宜設定することができる。

下部電極１２および上部電極１６としては、ＣｒおよびＲｕ以外にもＡｌ（アルミニウム）、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）もしくはＩｒ（イリジウム）等の金属膜またはこれらの複合膜を用いることができる。質量負荷膜２０および２８ついては、Ｔｉ以外にも、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＩｒ等の金属膜またはこれらの複合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および２８を、下部電極１２の層間、上部電極１６の層間、下部電極１２と圧電膜１４との間および圧電膜１４と上部電極１６との間に形成する場合、低抵抗化のため金属膜を用いることが好ましい。

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。圧電膜１４はＡｌＮ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。

下部電極１２、圧電膜１４、上部電極１６、質量負荷膜２０および２８は、スパッタリング法およびエッチング法により成膜される。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い、所望の形状に加工される。これらの加工は、蒸着法およびリフトオフ法を用いることもできる。また、積層膜１８の圧縮応力とすることにより、空隙３０をドーム状とすることができる。

図３（ａ）は質量負荷膜２８の一例を示す上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）のように、共振領域５０内に複数の第１パターン３２と第２パターン３４を備える質量負荷膜２８が設けられている。共振領域５０は楕円状である。第１パターン３２は、周期的に設けられたドット状のパターンである。第２パターン３４は、第１パターン３２を連結するパターンである。第１パターン３２は、例えば円状であり、第２パターン３４は棒状である。第２パターン３４は、第１パターン３２をジグザグに連結している。図３（ａ）および図３（ｂ）の第１パターン３２および第２パターン３４は、質量負荷膜２８から形成されている。第１パターン３２のサイズをサイズＬｌ、第１パターン３２の間隔を間隔Ｌｓ、第１パターン３２の周期を周期Ｌｐ、および第２パターン３４の幅を幅Ｗとする。第１パターン３２のサイズは第２パターン３４の幅Ｗより大きい。共振領域５０の面積に占める質量負荷膜２８の面積の割合を被覆率とする。

図４（ａ）は質量負荷膜の別の一例を示す上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）のように、共振領域５０内に第１パターン３２と第２パターン３４が形成されている。第１パターン３２は、周期的に設けられたドット状のパターンである。第２パターン３４は、第１パターン３２を連結するパターンである。第２パターン３４は、第１パターン３２をジグザグに連結している。図４（ａ）および図４（ｂ）の第１パターン３２および第２パターン３４は、質量負荷膜２８に形成された開口から形成されたパターンである。すなわち、図４（ａ）および図４（ｂ）の第１パターン３２および第２パターン３４は、図３（ａ）および図３（ｂ）とは相補的なパターンである。第１パターン３２のサイズをサイズＬｌ、第１パターン３２の間隔を間隔Ｌｓ、第１パターン３２の周期を周期Ｌｐ、および第２パターン３４の幅を幅Ｗとする。第１パターン３２のサイズは第２パターン３４の幅Ｗより大きい。共振領域５０の面積に占める質量負荷膜２８の面積の割合を被覆率とする。

図５（ａ）から図６（ｄ）は、第１パターンと第２パターンの例を示す平面図である。図５（ａ）においては、第１パターン３２は円状である。第２パターン３４は、共振領域５０の長軸において第１パターン３２を連結している。長軸において連結された第１パターン３２からそれぞれ短軸方向に第１パターン３２が第２パターン３４により連結されている。図５（ｂ）においては、第１パターン３２は四角形状である。第２パターン３４は、共振領域５０の短軸において第１パターン３２を連結している。短軸方向に連結された第１パターン３２からそれぞれ長軸方向に第１パターン３２が第２パターン３４により連結されている。図５（ｃ）においては、第１パターン３２は六角形状である。第２パターン３４は、共振領域５０の短軸長軸方向に斜めに第１パターン３２を連結している。斜め方向に連結された第１パターン３２からそれぞれ短軸および長軸方向に第１パターン３２が第２パターン３４により連結されている。図５（ｄ）においては、第１パターン３２は円状である。第２パターン３４は、共振領域５０の短軸および長軸において第１パターン３２を連結している。短軸方向に連結された第１パターン３２からそれぞれ長軸方向に第１パターン３２が第２パターン３４により連結されている。長軸方向に連結された第１パターン３２からそれぞれ短軸方向に第１パターン３２が第２パターン３４により連結されている。

図６（ａ）においては、第１パターン３２は三角形状である。共振領域５０の上半分では、第２パターン３４は長軸方向に第１パターン３２を連結している。共振領域５０の下半分では、第２パターン３４は短軸方向に第１パターン３２を連結している。図６（ｂ）においては、第２パターン３４は図５（ａ）と同じ形状であるが、第１パターン３２の位置が長軸方向に交互にずれている。図６（ｃ）においては、第１パターン３２は図５（ｂ）と同じ形状であるが、第２パターン３４の位置が短軸方向に交互にずれている。図６（ｄ）においては、第２パターン３４は図３（ａ）と同じであるが、第１パターン３２が四角形状である。以上のように、第１パターン３２の形状は、任意である。第２パターン３４は、第１パターン３２を連結していればよい。なお、図３（ａ）から図６（ｄ）においては、第２パターン３４が全ての第１パターン３２を連結しているが、第２パターン３４に連結されない第１パターン３２が一部存在してもよい。さらに、第１パターン３２が周期的に設けられている例を示しているが、第１パターン３２は、非周期的またはランダムに設けられていてもよい。さらに、第１パターン３２の形状および大きさが同じ例を示しているが、形状および大きさは異なっていてもよい。さらに、第２パターンの幅Ｗは同じ例を示しているが、異なっていてもよい。

図５（ａ）から図６（ｄ）は、第１パターン３２および第２パターン３４が質量負荷膜２８で形成されている例であるが、図４（ａ）のように、第１パターン３２および第２パターン３４は質量負荷膜２８に形成された開口パターンでもよい。

図３（ａ）のように、第１パターン３２を質量負荷膜２８を用い形成する場合と、図４（ａ）のように、第１パターン３２を質量負荷膜２８の開口パターンで形成する場合と、の取り扱いについて説明する。図７は、被覆率に対するパターンサイズＬｌ／パターン周期Ｌｐを示す図である。パターンは第１パターン３２であり、第２パターン３４は形成されていない。第１パターン３２は正方形とした。この場合、パターン周期Ｌｐを一定とし、パターンサイズＬｌの大きさを変化させ、被覆率に対するＬｌ／Ｌｐを計算した。実線は、パターンを質量負荷膜２８で形成した例である。破線は、５０％以上の被覆率において、パターンを質量負荷膜２８の開口で形成した例である。図７の実線のように、被覆率を大きくしようとすると、Ｌｌ／Ｌｐも大きくなる。パターンサイズＬｌが大きくなると、パターン間隔Ｌｓが小さくなる。このため、第１パターン３２の形成が難しくなる。そこで、例えば、被覆率５０％以上においては、破線のようにパターンを質量負荷膜２８の開口で形成する。これにより、被覆率が大きい場合も質量負荷膜２８のパターンの形成が容易となる。

実施例１に係る共振器を作製した。図８（ａ）は、実施例１に係る共振領域の平面図、図８（ｂ）は比較例１に係る共振領域の平面図である。図８（ａ）を参照し、実施例１において、共振領域５０は、長軸長が２４７μｍおよび短軸長が１７６μｍの楕円形である。第１パターン３２および第２パターン３４は、質量負荷膜２８の開口パターンである。第１パターン３２は円状である。パターン周期Ｌｐは７μｍ、パターンサイズＬｌは４．６μｍ、第２パターン３４の幅Ｗは１．５μｍである。被覆率は６０％である。図８（ｂ）を参照し、比較例１において、共振領域５０の大きさは実施例１と同じである。第１パターン３２は形成されておらず、第２パターン３４が形成されている。第２パターン３４の幅Ｗは２．５μｍである。被覆率は実施例１と同じ６０％である。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ実施例１および比較例１の共振器の反射特性のスミスチャートである。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、それぞれ実施例１および比較例１の共振器の通過特性を示す図である。図９（ａ）から図１０（ｂ）は、基板内のばらつきをみるため、それぞれ同一基板内の３箇所の測定データを重ね書きしている。図９（ａ）から図１０（ｂ）のように、比較例１および実施例１ともに、１８７７ＭＨｚあたりにスプリアス４０が観測される。実施例１は比較例１に比べスプリアス４０が小さい。また。実施例１は比較例１に対し、１８８０ＭＨｚから１９６０ＭＨｚあたりの細かいスプリアス４２が小さい。このように、実施例１は比較例１に比べスプリアスを抑制することができる。

さらに、実施例１の変形例１に係る共振器を作製した。作製した共振器においては第１パターン３２および第２パターン３４の配置は図５（ｄ）であり、第１パターン３２および第２パターン３４は、質量負荷膜２８の開口パターンで形成している。共振領域５０は、長軸長が２４７μｍおよび短軸長が１７６μｍの楕円形である。第１パターン３２は円状である。パターン周期Ｌｐは７μｍ、パターンサイズＬｌは１．７μｍ、第２パターン３４の幅Ｗは１．５μｍである。被覆率は８０％である。比較例２においては、変形例１と同じパターン配置で第２パターン３４を形成し第１パターン３２を形成していない。第２パターン３４の幅Ｗは１．７μｍである。実施例３においては、変形例１と同じパターン配置で第１パターン３２を形成し第２パターン３４を形成していない。第１パターン３２のサイズＬｌは、２．５μｍである。比較例２および比較例３とも共振領域５０の大きさは実施例１の変形例１と同じである。変形例１、比較例２、３の被覆率は同じであり、８０％である。

図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、それぞれ変形例１、比較例２および比較例３の共振器の反射特性のスミスチャートである。図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、それぞれ変形例１、比較例２および比較例３の共振器の通過特性を示す図である。図１１（ａ）から図１２（ｃ）のように、いずれの共振器においても、１８７７ＭＨｚあたりにスプリアス４０が観測される。また、１８８０ＭＨｚから１9６０ＭＨｚあたりの細かいスプリアス４２が観測される。しかしながら変形例１のスプリアス４０および４２は、比較例２および比較例３より小さい。このように、実施例１の変形例１は比較例２および３に比べスプリアスを抑制することができる。

発明者の実験によれば、質量負荷膜２８のパターンが第１パターン３２単独の場合、スプリアス４０および４２は、第１パターン３２のサイズＬｌが大きくなると大きくなる。また、質量負荷膜２８のパターンが第２パターン３４単独の場合においても、スプリアス４０および４２は、第２パターン３４の幅Ｗが大きくなれば大きくなる。実施例１によれば、第１パターン３２と第２パターン３４とを組み合わせることにより、同じ被覆率であっても第１パターン３２のサイズＬｌおよび第２パターン３４の幅Ｗを小さくすることができる。よって、スプリアス４０および４２を抑制できる。

図１３は、実施例１の変形例１および比較例２における被覆率とパターン間隔Ｌｓとの関係を示す図である。変形例１を実線、比較例２を破線で示している。被覆率が５０％以下では、パターンを質量負荷膜２８で形成し、被覆率が５０％以上では、パターンを質量負荷膜に形成された開口で形成している。実施例１の変形例１では、パターンピッチＬｐは７μｍ、第２パターン３４の幅Ｗは１．５μｍで一定とし、第１パターン３２のサイズＬｌを変化させ被覆率を計算した。比較例２では、パターンピッチは７μｍで一定とし、第１パターン３２のサイズＬｌを変化させ被覆率を計算した。

図１３のように、実施例１の変形例１は比較例２に比べ、同じ被覆率であってもパターン間隔Ｌｓを大きくできる。特に被覆率が２０％付近および８０％付近では、パターン間隔Ｌｓを大きくできる。質量負荷膜２８のパターンは、質量負荷膜２８のスパッタリングまたは蒸着、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により形成する。または、フォトリソグラフィ技術、質量負荷膜２８のスパッタリングまたは蒸着、リフトオフ技術により形成する。このため、パターン間隔Ｌｓが小さくなると、製造が難しくなる。特許文献２、３が開示している構成では、質量負荷膜のパターン間隔Ｌｓに関して、共振器の動作に対して設定された弾性波の波長よりも短い間隔が要求されている。具体的には、1ＧＨｚの周波数では通例の圧電薄膜材料の音波長は５μｍ〜１０μｍの範囲にあると開示されており、パターン間隔はこの範囲以下となる。逆説的には、パターンサイズＬｌまたはパターン間隔Ｌｓが弾性波の波長より十分大きくなると、質量負荷膜としての機能が発揮し難くなる。また、発明者の実験によれば、パターンサイズＬｌ、パターン間隔Ｌｓまたはパターン周期Ｌｐが弾性波の波長より十分大きくなると、スプリアスが発生して特性が大幅に劣化し、使用には不適切な状況となる。つまり，質量負荷膜としての機能が発揮し難くなる。よって、共振器の共振周波数を高くする場合、（例えば１ＧＨｚまたは２ＧＨｚ以上）パターン間隔Ｌｓが小さくなりやすく、製造が難しくなりやすい。言い換えれば、製造可能な範囲で被覆率を変化できる範囲がせまくなる。よって、周波数を調整できる範囲が狭くなる。実施例１の変形例１は比較例２に比べパターン間隔を大きくできる。よって、弾性波デバイスの製造が容易となる。言い換えれば、製造可能な範囲で被覆率を変化できる範囲が広くなる。よって、周波数を調整できる範囲が広くなる。

実施例１およびその変形例によれば、共振領域５０内に複数の第１パターン３２と複数の第１パターン３２を連結する第２パターン３４とから構成された質量負荷膜２８が設けられている。これにより、図９（ａ）から図１２（ｃ）のように、スプリアスレベルを抑制することができる。さらに、図１３のように、製造可能な範囲で被覆率を変化できる範囲が広くなる。よって、周波数を調整できる範囲が広くなる。なお、図９（ａ）から図１２（ｃ）は、共振周波数が約２ＧＨｚの共振器を用いているが、他の共振周波数を有する共振器においても同様の結果が得られることは言うまでもない。なお、共振周波数が高くなると、弾性波の波長が短くなる。よって、第１パターン３２および第２パターン３４のサイズも小さくなる。よって、共振周波数が高い場合に実施例１の共振器を用いることが有効である。例えば、共振周波数が１ＧＨｚ、１．５ＧＨｚまたは２ＧＨｚ以上の場合に実施例１の共振器を用いることが有効である。

また、第２パターン３４の幅Ｗは、複数の第１パターン３２のサイズＬｌより小さいことが好ましい。第２パターン３４の幅Ｗが大きくなると、実質的に比較例１および比較例３と同様な構成となる可能性があるためである。

さらに、第１パターン３２は非周期的またはランダムに配置されていてもよいが、第１パターン３２は周期的に配置されていることが好ましい。これにより、共振領域５０内での弾性性波特性を均一化できる。第２パターン３４も非周期的に配置されてもよいが、周期的に配置されることが好ましい。

複数の第１パターン３２は、共振領域５０内において、異なる形状でもよいが、同一形状であることが好ましい。これにより、共振領域５０内での弾性性波特性を均一化できる。

共振領域５０内において、第２パターン３４の幅は異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。これにより、共振領域５０内での弾性性波特性を均一化できる。

質量負荷膜２８は、下部電極１２または上部電極１６を構成する材料とは異なる材料により構成されることが好ましい。これにより、質量負荷膜２８に、パターンを形成する際に、質量負荷膜２８と下部電極１２または上部電極１６とのエッチング選択比をとることができる。

図１のフィルタにおいて、複数の共振器のうち少なくとも２つの共振器において、第１パターン３２および第２パターン３４が共振領域５０を占める割合が異ならせることができる。これにより、共振器毎の共振周波数の調整が可能となる。このとき、少なくとも２つの共振器において、質量負荷膜２８の膜厚が同じであることが好ましい。これにより、質量負荷膜２８を同時に形成することができる。

例えば、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４において、第１パターン３２および第２パターン３４が共振領域５０を占める割合を異ならせる。これにより、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４内で共振周波数を異ならせることができる。並列共振器Ｐ１〜Ｐ３においても同様である。よって、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４と並列共振器Ｐ１〜Ｐ３との共振周波数の差は、質量負荷膜２０により大きく設け。直列共振器Ｓ１〜Ｓ４間の共振周波数の微調整、並列共振器Ｐ１〜Ｐ３間の共振周波数内の微調整は、それぞれ、質量負荷膜２８を用いて行なうことができる。これにより、製造工程を増大させることなく、各共振器の共振周波数の微調整を行なうことができる。各共振器の共振周波数の微調整を行なうことにより、低損失で広帯域なフィルタを提供することができる。

図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例２の質量負荷膜の断面図である。図１４（ａ）のように、図３（ｂ）の質量負荷膜２８の一部を残存させている。このように、質量負荷膜２８に形成された第１パターン３２および第２パターン３４は、質量負荷膜２８の膜厚が厚いパターンでもよい。図１４（ｂ）のように、図４（ｂ）の質量負荷膜２８の一部を残存させている。このように、質量負荷膜２８に形成された第１パターン３２および第２パターン３４は、質量負荷膜２８の膜厚が薄いパターンでもよい。

実施例３は、質量付加膜が複数設けられた例である。図１５（ａ）は、実施例３の直列共振器の断面図、図１５（ｂ）は、実施例３の並列共振器の断面図である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）のように、周波数調整膜２４上に別の質量負荷膜２９が形成されている。別の質量負荷膜２９は、質量負荷膜２８と同様に、第１パターン３２と第２パターン３４とを有している。

実施例１および２において、１層の質量負荷膜２８を用い共振周波数を調整できる範囲を大きくしようとすると、質量負荷膜２８の膜厚が厚くなる。発明者の実験によれば、質量負荷膜２８の膜厚が厚くなると、共振器の共振特性が劣化する。実施例３によれば、質量負荷膜２８および２９は、複数の層に形成されている。これにより、質量負荷膜２８および２９の１層あたりの膜厚を薄くすることができ、共振器の共振特性の劣化を抑制できる。別の質量負荷膜２９は、積層膜１８内の共振領域５０に形成されていればよい。また、質量負荷膜２９は３層以上でもよい。

実施例４は、ラティス型フィルタの例である。図１６は、実施例４のラティス型フィルタを示す図である。ラティス型フィルタ１０２は、直列共振器Ｓ５およびＳ６、および並列共振器Ｐ４およびＰ５を備えている。端子Ｔ３とＴ５の間に直列共振器Ｓ５が接続され、端子Ｔ４とＴ６との間に直列共振器Ｓ６が接続されている。端子Ｔ３とＴ６の間に並列共振器Ｐ４が接続され、端子Ｔ４とＴ５との間に並列共振器Ｐ５が接続されている。このようなラティス型フィルタ１０２の直列共振器および並列共振器として、実施例１から実施例３において例示した直列共振器および並列共振器を用いることができる。これにより、ラダー型フィルタと同様に、スプリアスレベルを抑制することができる。また、共振器の周波数を調整できる範囲を広げることができる。ラダー型フィルタおよびラティス型フィルタ以外のフィルタ等に実施例１から３の共振器を用いることもできる。

実施例５は、移動体通信用ＲＦ（Radio Frequency）モジュールの例である。図１７は、実施例５のブロック図である。図１７のように、モジュール７０は、分波器６２とパワーアンプ６４を備えている。分波器６２は、受信用フィルタ６２ａおよび送信用フィルタ６２ｂを備えている。受信用フィルタ６２ａはアンテナ端子６１と受信端子６３ａ、６３ｂとの間に接続されている。受信用フィルタ６２ａは、アンテナ端子６１から入力した信号のうち受信帯域の信号を通過させ他の信号を抑圧する。受信帯域の信号は受信端子６３ａおよび６３ｂから出力される。受信端子６３ａおよび６３ｂからは平衡信号が出力される。送信用フィルタ６２ｂはパワーアンプ６４とアンテナ端子６１との間に接続されている。送信用フィルタ６２ｂは、パワーアンプ６４から入力した信号のうち送信帯域の信号を通過させ他の信号を抑圧する。送信帯域の信号はアンテナ端子６１から出力される。パワーアンプ６４は、送信端子６５から入力した信号を増幅し、送信用フィルタ６２ｂに出力する。受信用フィルタ６２ａおよび６２ｂのうち少なくとも一方が実施例１から４のフィルタを含むことができる。

実施例１から実施例３においては、圧電薄膜共振器として、積層膜１８と基板１０との間の共振領域５０に空隙３０が形成されたＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Wave Resonator）を例に説明した。圧電薄膜共振器は、基板に空隙が形成され、積層膜１８が空隙に露出する構造でもよい。また、空隙の代わりに、弾性波を反射する音響反射膜を設けたＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）でもよい。音響反射膜としては、音響インピーダンスの高い膜と低い膜を弾性波の波長の膜厚で交互に積層した膜を用いることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係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
１２ 下部電極
１４ 圧電薄膜
１６ 上部電極
１６ａ Ｒｕ層
１６ｂ Ｃｒ層
１８ 積層膜
２０ 質量負荷膜
２４ 周波数調整膜
２８ 質量負荷膜
３２ 第１パターン
３４ 第２パターン
５０ 共振領域

図１は、ラダー型フィルタを示す図である。 図２（ａ）は、実施例１の圧電薄膜共振器の上面図、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、それぞれ直列共振器および並列共振器の断面図である。 図３（ａ）は質量負荷膜の一例を示す上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図４（ａ）は質量負荷膜の別の一例を示す上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図５（ａ）から図５（ｄ）は、第１パターンと第２パターンの例を示す平面図（その１）である。 図６（ａ）から図６（ｄ）は、第１パターンと第２パターンの例を示す平面図（その２）である。 図７は、被覆率に対するパターンサイズＬｌ／パターン周期Ｌｐを示す図である。 図８（ａ）は、実施例１に係る共振領域の平面図、図８（ｂ）は比較例１に係る共振領域の平面図である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ実施例１および比較例１の共振器の反射特性のスミスチャートである。 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、それぞれ実施例１および比較例１の共振器の通過特性を示す図である。 図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、それぞれ変形例１、比較例２および比較例３の共振器の反射特性のスミスチャートである。 図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、それぞれ変形例１、比較例２および比較例３の共振器の通過特性を示す図である。 図１３は、実施例１の変形例１および比較例３における被覆率とパターン間隔Ｌｓとの関係を示す図である。 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例２の質量負荷膜の断面図である。 図１５（ａ）は、実施例３の直列共振器の断面図、図１５（ｂ）は、実施例３の並列共振器の断面図である。 図１６は、実施例4のラティス型フィルタを示す図である。 図１７は、実施例５のブロック図である。

さらに、実施例１の変形例１に係る共振器を作製した。作製した共振器においては第１パターン３２および第２パターン３４の配置は図５（ｄ）であり、第１パターン３２および第２パターン３４は、質量負荷膜２８の開口パターンで形成している。共振領域５０は、長軸長が２４７μｍおよび短軸長が１７６μｍの楕円形である。第１パターン３２は円状である。パターン周期Ｌｐは７μｍ、パターンサイズＬｌは１．７μｍ、第２パターン３４の幅Ｗは１．５μｍである。被覆率は８０％である。比較例２においては、変形例１と同じパターン配置で第２パターン３４を形成し第１パターン３２を形成していない。第２パターン３４の幅Ｗは１．７μｍである。比較例３においては、変形例１と同じパターン配置で第１パターン３２を形成し第２パターン３４を形成していない。第１パターン３２のサイズＬｌは、２．５μｍである。比較例２および比較例３とも共振領域５０の大きさは実施例１の変形例１と同じである。変形例１、比較例２、３の被覆率は同じであり、８０％である。

図１３は、実施例１の変形例１および比較例３における被覆率とパターン間隔Ｌｓとの関係を示す図である。変形例１を実線、比較例３を破線で示している。被覆率が５０％以下では、パターンを質量負荷膜２８で形成し、被覆率が５０％以上では、パターンを質量負荷膜に形成された開口で形成している。実施例１の変形例１では、パターンピッチＬｐは７μｍ、第２パターン３４の幅Ｗは１．５μｍで一定とし、第１パターン３２のサイズＬｌを変化させ被覆率を計算した。比較例３では、パターンピッチは７μｍで一定とし、第１パターン３２のサイズＬｌを変化させ被覆率を計算した。

図１３のように、実施例１の変形例１は比較例３に比べ、同じ被覆率であってもパターン間隔Ｌｓを大きくできる。特に被覆率が２０％付近および８０％付近では、パターン間隔Ｌｓを大きくできる。質量負荷膜２８のパターンは、質量負荷膜２８のスパッタリングまたは蒸着、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により形成する。または、フォトリソグラフィ技術、質量負荷膜２８のスパッタリングまたは蒸着、リフトオフ技術により形成する。このため、パターン間隔Ｌｓが小さくなると、製造が難しくなる。特許文献２、３が開示している構成では、質量負荷膜のパターン間隔Ｌｓに関して、共振器の動作に対して設定された弾性波の波長よりも短い間隔が要求されている。具体的には、1ＧＨｚの周波数では通例の圧電薄膜材料の音波長は５μｍ〜１０μｍの範囲にあると開示されており、パターン間隔はこの範囲以下となる。逆説的には、パターンサイズＬｌまたはパターン間隔Ｌｓが弾性波の波長より十分大きくなると、質量負荷膜としての機能が発揮し難くなる。また、発明者の実験によれば、パターンサイズＬｌ、パターン間隔Ｌｓまたはパターン周期Ｌｐが弾性波の波長より十分大きくなると、スプリアスが発生して特性が大幅に劣化し、使用には不適切な状況となる。つまり，質量負荷膜としての機能が発揮し難くなる。よって、共振器の共振周波数を高くする場合、（例えば１ＧＨｚまたは２ＧＨｚ以上）パターン間隔Ｌｓが小さくなりやすく、製造が難しくなりやすい。言い換えれば、製造可能な範囲で被覆率を変化できる範囲がせまくなる。よって、周波数を調整できる範囲が狭くなる。実施例１の変形例１は比較例３に比べパターン間隔を大きくできる。よって、弾性波デバイスの製造が容易となる。言い換えれば、製造可能な範囲で被覆率を変化できる範囲が広くなる。よって、周波数を調整できる範囲が広くなる。

また、第２パターン３４の幅Ｗは、複数の第１パターン３２のサイズＬｌより小さいことが好ましい。第２パターン３４の幅Ｗが大きくなると、実質的に比較例１および比較例２と同様な構成となる可能性があるためである。

Claims (13)

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設けられ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および上部電極が対向する共振領域内に、複数の第１パターンと前記複数の第１パターンを連結する第２パターンとから構成された質量負荷膜と、
   を具備することを特徴とする弾性波デバイス。
2. 前記第２パターンの幅は、前記複数の第１パターンの幅より小さいことを特徴とする請求項１記載の弾性波デバイス。
3. 前記複数の第１パターンは周期的に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の弾性波デバイス。
4. 前記複数の第１パターンは同一形状であ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弾性波デバイス。
5. 前記第２パターンの幅は同じであ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弾性波デバイス。
6. 前記複数の第１パターンおよび第２パターンは、前記質量負荷膜が形成されたパターンであ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弾性波デバイス。
7. 前記第１パターンおよび前記第２パターンは、前記質量負荷膜に形成された開口から形成されたパターンであ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弾性波デバイス。
8. 前記質量負荷膜は、前記下部電極または前記上部電極を構成する材料とは異なる材料により構成され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弾性波デバイス。
9. 前記質量負荷膜は、複数の層に形成されてい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弾性波デバイス。
10. 前記下部電極は、前記基板の平坦主面との間にドーム状の空隙を有するように形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
11. 請求項１から１０のいずれか一項記載の弾性波デバイスを備えるフィルタ。
12. 前記弾性波デバイスは複数の共振器を含み、
    前記複数の共振器のうち少なくとも２つの共振器において、前記第１パターンおよび前記第２パターンが前記共振領域を占める割合が異なることを特徴とする請求項１１記載のフィルタ。
13. 前記少なくとも２つの共振器において、前記質量負荷膜の膜厚が同じであることを特徴とする請求項１２記載のフィルタ。

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