JP6941981B2 - 圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関し、例えば基板と下部電極との間に空隙が設けられた圧電薄膜共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関する。

圧電薄膜共振器は、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、基板上に空隙を介し下部電極、圧電膜および上部電極が積層されている。基板と下部電極との間に空隙を形成する方法として、基板上に犠牲層を形成し犠牲層上に下部電極を形成する。その後、下部電極に形成された貫通孔を介し犠牲層にエッチング液を導入し、犠牲層を除去することで空隙を形成することが知られている（例えば特許文献１）。

特開２００５−３４７８９８号公報

エッチング液を導入するためには、下部電極に設けられた貫通孔の面積を大きくすることが好ましい。しかしながら、貫通孔を大きくするとチップ面積が大きくなる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電薄膜共振器を小型化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、前記圧電膜上に設けられた上部電極と、前記上部電極とで前記圧電膜の少なくとも一部を挟む共振領域を形成するように、前記基板と前記圧電膜との間に、前記基板との間に空隙を介し設けられ、前記空隙とつながる第１貫通孔および第２貫通孔を前記共振領域外に有する下部電極と、を具備し、前記共振領域の外周のうち前記第１貫通孔に最も近い箇所における前記外周に沿った第１方向における前記第１貫通孔の第１幅は、前記第１方向に直交する第１直交方向における前記第１貫通孔の第２幅より大きく、前記外周のうち前記第２貫通孔に最も近い箇所における前記外周に沿った第２方向における前記第２貫通孔の第３幅は前記第１幅より小さく、前記第２方向に直交する第２直交方向における前記第２貫通孔の第４幅は前記第２幅より大きい圧電薄膜共振器である。

上記構成において、前記第３幅と前記第４幅は等しい構成とすることができる。

上記構成において、前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は前記共振領域の中心を挟んで設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記共振領域は長手方向と短手方向を有し、前記第１貫通孔と前記第２貫通孔は前記長手方向に設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記第１貫通孔は前記共振領域に最も近い前記基板の端部と前記共振領域との間に設けられ、前記基板の端部と前記共振領域との間には、他の圧電薄膜共振器は設けられておらず、前記第２貫通孔と、前記第２貫通孔に対し前記共振領域と反対側の前記基板の端部と、の間には、他の圧電薄膜共振器が設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記第１貫通孔は隣接する第１他の圧電薄膜共振器との間に設けられ、前記第１貫通孔と、前記第１他の圧電薄膜共振器が有する貫通孔のうち前記第１貫通孔に最も近い貫通孔と、の第１距離は、前記第２貫通孔と、前記第２貫通孔に最も近い第２他の圧電薄膜共振器が有する貫通孔のうち前記第２貫通孔に最も近い貫通孔と、の第２距離より短い構成とすることができる。

上記構成において、前記第１貫通孔と前記第２貫通孔の面積は略同じである構成とすることができる。

本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むフィルタである。

本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。

本発明によれば、圧電薄膜共振器を小型化することができる。

図１（ａ）は、実施例１における圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図２（ａ）から図２（ｄ）は、実施例１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３は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の平面図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図である。 図５は、実施例３に係るフィルタの平面図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、図５の領域ＡおよびＢの拡大図である。 図７は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 図８は、実施例５に係るデュプレクサの回路図である。

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における圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。共振領域５０の長軸方向および短軸方向をＸ方向およびＹ方向、基板の法線方向をＺ方向とすする。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、基板１０上に、下部電極１２が設けられている。基板１０の平坦主面と下部電極１２との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されている。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の高さが大きくなるような形状の膨らみである。

下部電極１２上に、圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。圧電膜１４を挟み下部電極１２と上部電極１６とが対向する領域は共振領域５０である。共振領域５０の平面形状は、長軸５２と短軸５４を有する楕円形状である。長軸長はＬ１である。共振領域５０は厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。下部電極１２上に配線２６が設けられている。平面視において、共振領域５０は空隙３０に含まれている。

空隙３０は共振領域５０の外まで設けられている。下部電極１２は、共振領域５０の外において空隙３０につながる貫通孔３５ａを有している。貫通孔３５ａは共振領域５０の長軸５２の延長線上に共振領域５０を挟み一対設けられている。貫通孔３５ａの平面形状は、共振領域５０に沿った方向（Ｙ方向）の幅Ｒ１がＸ方向の幅Ｒ２より大きい細長である。貫通孔３５ａは後述するように、犠牲層をエッチングするためのエッチング剤を導入するための導入路である。貫通孔３５ａを含む圧電薄膜共振器のＸ方向の長さはＬ０である。長さＬ０は長軸長Ｌ１と幅Ｒ２の２倍にその他の領域αを加えたＬ０＝Ｌ１＋２×Ｒ２＋αである。

基板１０は、例えば膜厚が２８０μｍの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１２は、例えば合計の膜厚が２００ｎｍであり、基板１０側からＣｒ（クロム）膜およびＲｕ（ルテニウム）膜である。上部電極１６は、例えば合計の膜厚が２００ｎｍであり、圧電膜１４側からＲｕ膜およびＣｒ膜である。下部電極１２および上部電極１６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１４は、例えば膜厚が１０００ｎｍの（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。

配線２６は、例えば下部電極１２側から膜厚が１００ｎｍのＴｉ膜および膜厚が６００ｎｍのＡｕ（金）膜である。配線２６は、Ｃｕ（銅）膜およびＡｌ（アルミニウム）膜等の低抵抗の膜が含まれればよい。空隙３０の高さは例えば数１０ｎｍから数１００ｎｍである。貫通孔３５ａの幅Ｒ１およびＲ２は例えばそれぞれ１６μｍおよび４μｍである。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。

［実施例１の製造方法］
図２（ａ）から図２（ｄ）は、実施例１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２（ａ）に示すように、基板１０上に、犠牲層３８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３８は、例えば膜厚が６０ｎｍのＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜である。犠牲層３８は、例えばＺｎＯ膜、Ｇｅ膜または酸化シリコン膜でもよい。犠牲層３８の膜厚は例えば１０ｎｍから１００ｎｍでもよい。犠牲層３８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３８は空隙３０となる領域に設けられる。

図２（ｂ）に示すように、基板１０上に犠牲層３８を覆うように下部電極１２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。下部電極１２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。これにより下部電極１２に貫通孔３５ａが形成される。下部電極１２は、リフトオフ法により形成してもよい。

図２（ｃ）に示すように、基板１０上に下部電極１２を覆うように圧電膜１４および上部電極１６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２（ｄ）に示すように、上部電極１６および圧電膜１４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。上部電極１６は、リフトオフ法により形成してもよい。下部電極１２上に配線２６を例えば真空蒸着法およびリフトオフ法を用い形成する。配線２６は、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法、並びにフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い形成してもよい。

貫通孔３５ａを介し、犠牲層３８をエッチング液により除去する。下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６の内部応力を圧縮応力としておくことで、下部電極１２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１２と基板１０との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成される。犠牲層３８がＭｇＯの場合、犠牲層３８のエッチング液として例えば硝酸系溶液を用いる。以上により、実施例１の圧電薄膜共振器が作製される。

［比較例１］
図３は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の平面図である。図３に示すように、貫通孔３５ｂの平面形状は円形であり、幅Ｒ１とＲ２とは略同じである。貫通孔３５ｂの平面視の面積が小さくなると、貫通孔３５ｂを介し犠牲層３８にエッチング液が効率よく導入できない。また、フォトリソグラフィおよびエッチングが難しくなる。このため、貫通孔３５ｂの面積は一定以上であることが好ましい。

しかしながら、比較例１のように貫通孔３５ｂを円形とすると、幅Ｒ２が大きくなる。このため、圧電薄膜共振器の長軸方向の長さＬ０＝Ｌ１＋２×Ｒ２＋αが大きくなってしまう。

［実施例１の効果］
実施例１によれば、貫通孔３５ａ（第１貫通孔）は、Ｘ方向（共振領域５０に沿う方向）の幅Ｒ１がＹ方向（沿う方向に交差する方向）の幅Ｒ２より大きい。これにより、貫通孔３５ａの面積が比較例１の貫通孔３５ｂの面積とほぼ同じであっても幅Ｒ２を小さくできる。よって、圧電薄膜共振器のＸ方向の長さＬ０＝Ｌ１＋２×Ｒ２＋αを比較例１より小さくできる。例えば実施例１および比較例１の幅Ｒ２をそれぞれ４μｍおよび８μｍとすると、Ｌ０を８μｍ小さくできる。よって、圧電薄膜共振器を小型化できる。また、比較例１と貫通孔３５ａの面積がほぼ同じであるため、犠牲層３８のエッチング液を効率よく導入できる。

貫通孔３５ａの平面形状として外周は曲線の形状（円をつぶしたような形状）を例に説明したが、貫通孔３５ａは長方形等の多角形でもよい。貫通孔３５ａは共振領域５０の外にあれば、貫通孔３５ａの位置はいずれでもよい。また、貫通孔３５ａの個数は１個でもよく３個以上でもよい。共振領域５０の平面形状が楕円形状のように細長い場合、エッチング液を効率的に犠牲層３８に導入するためには、貫通孔３５ａは長軸の延長線上に２個あることが好ましい。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）のように、２つの貫通孔３５ａおよび３５ｂの形状が異なる。貫通孔３５ａの幅Ｒ１は貫通孔３５ｂの幅Ｒ１より大きく、貫通孔３５ａの幅Ｒ２は貫通孔３５ｂの幅Ｒ２より小さい。例えば、図４（ａ）では、貫通孔３５ａの幅Ｒ１およびＲ２はそれぞれ１６μｍおよび４μｍである。図４（ｂ）では、貫通孔３５ａの幅Ｒ１およびＲ２はそれぞれ３２μｍおよび２μｍである。図４（ａ）および図４（ｂ）では、貫通孔３５ａの幅Ｒ１およびＲ２はいずれも８μｍ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５は、実施例３に係るフィルタの平面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、図５の領域ＡおよびＢの拡大図である。図５に示すように、基板１０上に圧電薄膜共振器１８、配線２６およびパッド２２が設けられている。圧電薄膜共振器１８は実施例１、２および比較例１に係る圧電薄膜共振器である。配線２６は圧電薄膜共振器１８間を電気的に接続する。パッド２２は、外部と接続するための端子であり、例えばバンプまたはボンディングワイヤ等が接合する。配線２６およびパッド２２は、例えば金膜、アルミニウム膜または銅膜等の金属層である。

圧電薄膜共振器１８は、直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ４を含む。パッド２２は、入力端子Ｉｎ、出力端子Ｏｕｔおよびグランド端子Ｇｎｄを含む。入力端子Ｉｎと出力端子Ｏｕｔとの間に直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に、並列共振器Ｐ１からＰ４が並列に接続されている。直列共振器Ｓ４は直列に分割されている。

図６（ａ）に示すように、隣接する直列共振器Ｓ３と並列共振器Ｐ３との間で貫通孔３５ａが近接する。貫通孔３５ａが円形の場合、直列共振器Ｓ３と並列共振器Ｐ３の貫通孔３５ａが一体となってしまう。この場合、犠牲層３８の除去が安定化しない。貫通孔３５ａを近接させないためには直列共振器Ｓ３と並列共振器Ｐ３とを離すことになり、チップサイズが大きくなる。そこで、貫通孔３５ａの平面形状を円形でなく実施例１または２のように細長い形状とする。これにより、チップサイズを大きくすることなく、直列共振器Ｓ３と並列共振器Ｐ３の貫通孔３５ａが一体となることを抑制でき、チップ面積を小さくできる。

図６（ｂ）に示すように、基板１０（すなわちチップ）の端部にはスクライブライン１１が設けられている。スクライブライン１１はチップを個片化するときの切断領域である。直列共振器Ｓ２と並列共振器Ｐ３の貫通孔３５ａが基板１０の端部に近接している。スクライブライン１１から一定距離Ｌ３は、パターンの配置を許容しない領域である。パターンが基板１０の端部に形成されると、パターン欠け等が生じる可能性があるため、このような配置を許可しない領域を設ける。比較例１のように円形の貫通孔３５ｂの場合、スクライブライン１１から距離Ｌ３を確保しようとすると、直列共振器Ｓ２と並列共振器Ｐ３をスクライブライン１１から離すことになり、チップ面積が大きくなる。貫通孔３５ａを実施例１または２のように細長い形状とする。これにより、チップ面積を小さくできる。

細長い貫通孔３５ａの反対側の貫通孔は細長い貫通孔３５ａでもよいし、円形の貫通孔３５ｂでもよい。

実施例２のように、貫通孔３５ｂ（第２貫通孔）の幅Ｒ１は貫通孔３５ａ（第１貫通孔）の幅Ｒ１より小さく、貫通孔３５ｂの幅Ｒ２は貫通孔３５ａの幅Ｒ２より小さい。このように、貫通孔の形状を異ならせることで、貫通孔の形状を柔軟にすることができ、チップサイズを小さくできる。

貫通孔３５ａおよび３５ｂは共振領域５０の中心を挟んで設けられている。これにより、犠牲層３８を効率よく除去できる。しかし、貫通孔の分圧電薄膜共振器が長くなる。よって、貫通孔の少なくとも一方を細長い貫通孔３５ａとすることが好ましい。なお、共振領域５０の中心は幾何学的な中心でなくてもよい。

特に、共振領域５０は長手方向と短手方向を有し、貫通孔３５ａおよび３５ｂが長手方向に設けられている。これにより、犠牲層３８を効率よく除去できる。しかし、圧電薄膜共振器の長さＬ０が大きくなる。よって、貫通孔の少なくとも一方を貫通孔３５ａとすることが好ましい。共振領域５０は楕円形状以外に長方形等の長手方向を有する形状であればよい。

図６（ａ）のように、直列共振器Ｓ３の貫通孔３５ａは隣接する他の圧電薄膜共振器である並列共振器Ｐ３との間に設けられている。このように、圧電薄膜共振器の間に位置する貫通孔３５ａを細長くすることで、チップ面積を小さくできる。

図６（ｂ）のように、並列共振器Ｐ３の貫通孔３５ａは共振領域５０に最も近い基板１０の端部と共振領域５０との間に設けられている。基板１０の端部と共振領域５０との間には、他の圧電薄膜共振器は設けられていない。このように、基板１０の端部に近い貫通孔３５ａを細長くすることで、チップ面積を小さくできる。

実施例３では、ラダー型フィルタを例に説明した。ラダー型フィルタの直列共振器および並列共振器の個数は適宜設定できる。実施例１から２およびその変形例の圧電薄膜共振器はラダー型フィルタ以外に適用してもよい。

実施例４は、空隙の構成を変えた例である。図７は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図７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１２は、基板１０上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０が、基板１０の窪みに形成されている。空隙３０は共振領域５０を含むように形成されている。その他の構成は、実施例１および２と同じであり説明を省略する。実施例４のように空隙３０の形状は任意である。

実施例５はマルチプレクサの例である。図８は、実施例５に係るデュプレクサの回路図である。図５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から入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子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から入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例３のフィルタまたは実施例１、２および３の圧電薄膜共振器を含むフィルタとすることができる。

マルチプレクサの例としてデュプレクサを説明したが、トリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。

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
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 圧電薄膜共振器
２２ パッド
２６ 配線
３０ 空隙
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた圧電膜と、
   前記圧電膜上に設けられた上部電極と、
   前記上部電極とで前記圧電膜の少なくとも一部を挟む共振領域を形成するように、前記基板と前記圧電膜との間に、前記基板との間に空隙を介し設けられ、前記空隙とつながる第１貫通孔および第２貫通孔を前記共振領域外に有する下部電極と、
   を具備し、
   前記共振領域の外周のうち前記第１貫通孔に最も近い箇所における前記外周に沿った第１方向における前記第１貫通孔の第１幅は、前記第１方向に直交する第１直交方向における前記第１貫通孔の第２幅より大きく、
   前記外周のうち前記第２貫通孔に最も近い箇所における前記外周に沿った第２方向における前記第２貫通孔の第３幅は前記第１幅より小さく、前記第２方向に直交する第２直交方向における前記第２貫通孔の第４幅は前記第２幅より大きい圧電薄膜共振器。
2. 前記第３幅と前記第４幅は等しい請求項１記載の圧電薄膜共振器。
3. 前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は前記共振領域の中心を挟んで設けられている請求項２記載の圧電薄膜共振器。
4. 前記共振領域は長手方向と短手方向を有し、前記第１貫通孔と前記第２貫通孔は前記長手方向に設けられている請求項３記載の圧電薄膜共振器。
5. 前記第１貫通孔は前記共振領域に最も近い前記基板の端部と前記共振領域との間に設けられ、
   前記基板の端部と前記共振領域との間には、他の圧電薄膜共振器は設けられておらず、
   前記第２貫通孔と、前記第２貫通孔に対し前記共振領域と反対側の前記基板の端部と、の間には、他の圧電薄膜共振器が設けられている請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
6. 前記第１貫通孔は隣接する第１他の圧電薄膜共振器との間に設けられ、
   前記第１貫通孔と、前記第１他の圧電薄膜共振器が有する貫通孔のうち前記第１貫通孔に最も近い貫通孔と、の第１距離は、前記第２貫通孔と、前記第２貫通孔に最も近い第２他の圧電薄膜共振器が有する貫通孔のうち前記第２貫通孔に最も近い貫通孔と、の第２距離より短い請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
7. 前記第１貫通孔と前記第２貫通孔の面積は略同じである請求項２から４のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器。
8. 請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
9. 請求項８記載のフィルタを含むマルチプレクサ。

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