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JP2013038471A - 弾性波フィルタ - Google Patents

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Abstract

【課題】 温度補償膜を用いた弾性波フィルタの広帯域化及び整合改善を図ると共に、共振周波数のずれを抑制することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、複数の圧電薄膜共振子を含む弾性波フィルタであって、圧電薄膜共振子は、基板１０と、基板１０上に設けられた圧電薄膜１４と、圧電薄膜の少なくとも一部を挟んで設けられた下部電極１２及び上部電極１８と、下部電極１２及び上部電極１８が対向する共振領域４０に設けられ、共振領域４０とは異なる形状を有する周波数制御用の質量負荷膜２４と、共振領域４０に設けられ、圧電薄膜１４の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数を持つ温度補償膜１６と、を備え、複数の圧電薄膜共振子のうち少なくとも２つは、質量負荷膜２４の面積が互いに異なることを特徴とする弾性波フィルタである。
【選択図】 図７

Description

本発明は、弾性波フィルタに関する。
携帯電話をはじめとする無線機器等のフィルタとして、バルク波（ＢＡＷ：Bulk Acoustic Wave）を用いたＢＡＷフィルタが知られている。ＢＡＷフィルタは、複数の圧電薄膜共振子から構成され、個々の圧電薄膜共振子は、上部電極と下部電極とが圧電薄膜を挟んで対向する構造を有する。圧電薄膜共振子の共振周波数は、上部電極と下部電極とが対向する領域（以下、共振領域）の構成材料及び膜厚によって定められる。
圧電薄膜共振子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１〜３）。質量負荷膜のパターンや厚みを変更することにより、共振周波数を任意に変更することができる。また、温度変化による周波数シフトを抑制するために、共振領域内に温度補償膜を形成する技術が知られている（例えば、特許文献４）。温度補償膜は、例えば圧電薄膜の中央部に形成され、圧電薄膜の共振周波数の温度係数と逆符号の温度係数を有する。
特開２００２−３３５１４１号公報 特表２００２−５１５６６７号公報 特表２００７−５３５２７９号公報 特開昭５８−１３７３１７号公報
圧電薄膜共振子に温度補償膜を用いた弾性波フィルタでは、周波数温度係数ＴＣＦ（Temperature Coefficient of Frequency）と、フィルタの比帯域幅に比例する係数である実効的電気機械結合係数Ｋ２ ｅｆｆとが、トレードオフの関係にある。従って、ＴＣＦを改善しようとするとＫ２ ｅｆｆが低下し、比帯域幅が小さくなるため、広帯域のフィルタを得ることが難しいという課題があった。一方で、無理に広帯域化を図ろうとすると、フィルタの整合が悪化してしまうという課題があった。
また、従来の弾性波フィルタでは、圧電薄膜に温度補償膜を挿入することにより、温度補償膜を表層に形成する場合に比べて共振周波数の膜厚依存性が大きくなり、共振周波数のばらつきが増大してしまうという課題があった。
本発明は上記の課題に鑑みなされたものであり、圧電薄膜に温度補償膜が挿入された弾性波フィルタの広帯域化及び整合改善を図ると共に、共振周波数のばらつきを抑制することを目的とする。
本発明は、複数の圧電薄膜共振子を含む弾性波フィルタであって、前記圧電薄膜共振子は、基板と、前記基板上に設けられた圧電薄膜と、前記圧電薄膜の少なくとも一部を挟んで設けられた下部電極及び上部電極と、前記下部電極及び上部電極が対向する共振領域に設けられ、前記共振領域とは異なる形状を有する周波数制御用の質量負荷膜と、少なくとも一部が、前記共振領域における、前記下部電極及び前記上部電極の間に設けられ、前記圧電薄膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数を持つ温度補償膜と、を備え、前記複数の圧電薄膜共振子のうち少なくとも２つは、前記質量負荷膜の面積が互いに異なることを特徴とする弾性波フィルタである。
上記構成において、前記複数の圧電薄膜共振子は、前記弾性波フィルタの直列腕及び並列腕のそれぞれに複数配置され、前記直列腕に配置された前記複数の圧電薄膜共振子、及び前記並列腕に配置された前記複数の圧電薄膜共振子の少なくとも一方は、前記質量負荷膜の面積が互いに異なる２つの前記圧電薄膜共振子を含む構成とすることができる。
上記構成において、前記温度補償膜は、酸化シリコンを主成分とする構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電薄膜は、窒化アルミニウムである構成とすることができる。
上記構成において、前記窒化アルミニウムは、圧電定数を高める元素を含有する構成とすることができる。
上記構成において、入力端子及び出力端子と、前記入力端子とグランドとの間、及び前記出力端子とグランドとの間の少なくとも一方に接続された第１インダクタと、を備える構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の圧電薄膜共振子のうち前記並列腕に接続された前記圧電薄膜共振子とグランドとの間に接続された第２インダクタを備える構成とすることができる。
上記構成において、前記弾性波フィルタにおける通過帯域端の周波数温度係数をＴ［ｐｐｍ／℃］とした場合に、比帯域幅が−０．０４１＊Ｔ＋２．１７［％］以上である構成とすることができる。
本発明は、送信用フィルタ及び受信用フィルタを備えたデュプレクサであって、前記送信用フィルタ及び前記受信用フィルタの少なくとも一方は、上記いずれかに記載の弾性波フィルタを含むことを特徴とするデュプレクサ。
本発明によれば、圧電薄膜に温度補償膜が挿入された弾性波フィルタの広帯域化及び整合改善を図ると共に、共振周波数のばらつきを抑制することができる。
図１は、比較例及び実施例１に係る弾性波フィルタの回路構成を示す図である。 図２は、比較例に係る圧電薄膜共振子の構成を示す模式図である。 図３は、温度補償膜の膜厚と、周波数温度係数（ＴＣＦ）及び実効的電気機械結合係数（Ｋ２ ｅｆｆ）との関係を示すグラフである。 図４は、周波数温度係数（ＴＣＦ）と比帯域幅との関係を示すグラフである。 図５は、比較例及び実施例１〜３に係る弾性波フィルタにおける、各圧電薄膜共振子の共振周波数を示す表である。 図６は、比較例に係る弾性波フィルタの帯域特性を示すグラフである。 図７は、実施例１に係る圧電薄膜共振子の構成を示す模式図である。 図８は、質量負荷膜の構成を示す模式図である。 図９は、質量負荷膜の被覆率と共振周波数との関係を示す表である。 図１０は、実施例１に係る弾性波フィルタの帯域特性を示すグラフである。 図１１は、実施例２に係る弾性波フィルタの回路構成を示す図である。 図１２は、実施例２に係る弾性波フィルタの帯域特性を示すグラフ（その１）である。 図１３は、実施例２に係る弾性波フィルタの帯域特性を示すグラフ（その２）である。 図１４は、実施例３に係る弾性波フィルタの帯域特性を示すグラフである。 図１５は、実施例１〜３の変形例に係る圧電薄膜共振子の構成を示す模式図である。 図１６は、実施例１〜３の変形例に係る弾性波フィルタの回路構成を示す図である。 図１７は、実施例１〜３に係る弾性波フィルタを用いたデュプレクサの回路構成を示す図である。
（比較例）
図１は、比較例及び実施例１に係る弾性波フィルタの構成を示す回路図である。弾性波フィルタは、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３、及びインダクタＬ１〜Ｌ２を含むラダー型フィルタである。直列共振子Ｓ１〜Ｓ４、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３は、それぞれ圧電薄膜共振子である。直列共振子Ｓ１〜Ｓ４は、出力端子Ｏｕｔと入力端子Ｉｎとの間に直列に接続されている。並列共振子Ｐ１は直列共振子Ｓ１及びＳ２の間に、並列共振子Ｐ２は直列共振子Ｓ２及びＳ３の間に、並列共振子Ｐ３は直列共振子Ｓ３及びＳ４の間に、それぞれ一端が接続されている。並列共振子Ｐ１〜Ｐ３の他端は共通化され、インダクタＬ１を介して接地されている。一端が出力端子Ｏｕｔと直列共振子Ｓ１との間には、一端が接地されたインダクタＬ２が接続されている。
図２は、比較例に係る弾性波フィルタを構成する圧電薄膜共振子の構成を示す模式図である。図２（ａ）は圧電薄膜共振子の上面模式図、図２（ｂ）は直列共振子Ｓ１〜Ｓ４の断面模式図、図２（ｃ）は並列共振子Ｐ１〜Ｐ３の断面模式図である。図２（ａ）は直列共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振子Ｐ１〜Ｐ３に共通の図であり、図２（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面模式図となっている。
図２（ｂ）に示すように、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４は、基板１０上に下部電極１２、第１圧電薄膜１４ａ、温度補償膜１６、第２圧電薄膜１４ｂ、上部電極１８（ルテニウム（Ｒｕ）層１８ａ及びクロム（Ｃｒ）層１８ｂを含む）、及び周波数調整膜２０が順に積層された構造を有する（以下、積層膜３０とする）。上部電極１８と下部電極１２とが圧電薄膜（第１圧電薄膜１４ａ及び第２圧電薄膜１４ｂ）を挟んで対向する領域が、共振領域４０となっている。共振領域４０において、下部電極１２は上方向が凸になるように湾曲して形成され、それにより基板１０との間にドーム状の空隙４２が形成されている。また、第１圧電薄膜１４ａ、温度補償膜１６、及び第２圧電薄膜１４ｂの一部はエッチングにより除去され、上記３層の外周の少なくとも一部が上部電極１８の内側に位置するように形成されている。
図２（ｃ）に示すように、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３は、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４と基本的に同様の構成を有するが、上部電極１８におけるＲｕ層１８ａとＣｒ層１８ｂとの間に、質量負荷膜（以下、第１質量負荷膜２２）が形成されている点が異なる。並列共振子Ｐ１〜Ｐ３は、第１質量負荷膜２２を備えることにより、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４に比べて共振周波数が低周波側にシフトされている。なお、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３の共振周波数を低周波側にシフトさせるためには、第２質量負荷膜２４を形成する代わりに、積層膜３０のうち特定の層の厚みを、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４における同じ層の厚みに比べて大きくしてもよい。
図２（ａ）に示すように、共振領域４０付近における下部電極１２の表面には、エッチング媒体導入孔５０が設けられている。また、エッチング媒体導入孔５０と空隙４２との間には、エッチング媒体導入路５２が形成されている。また、下部電極１２については、点線で示された全体部分のうち、圧電薄膜（１４ａ、１４ｂ）の開口部から一部（斜線部）が露出する構成となっている。
基板１０としては、例えばシリコン（Ｓｉ）を用いることができるが、他にもガラス、セラミック等を用いることができる。また、下部電極１２として基板１０からクロム（Ｃｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）が順に積層された電極膜を用い、上部電極１８として基板１０側からルテニウム（Ｒｕ）及びクロム（Ｃｒ）が順に積層された電極膜を用いることができる。しかし、下部電極１２及び上部電極１８には、他にもアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）等を組み合わせて用いることができる。また、電極膜を２層構造とせずに、１層構造とすることもできる。
また、第１圧電薄膜１４ａ及び第２圧電薄膜１４ｂとしては、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることができるが、他にも酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）等の圧電材を用いることができる。温度補償膜１６は、圧電薄膜（１４ａ、１４ｂ）の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数を有する膜であり、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）を用いることができるが、他にも酸化シリコンを主成分とし他の元素を含有する膜を用いることができる。周波数調整膜２０としては、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）を用いることができるが、他にも窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の別の絶縁材料を用いることができる。並列共振子Ｐ１〜Ｐ３に用いられる第１質量負荷膜２２としては、チタン（Ｔｉ）を用いることができるが、他にもアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、二酸化珪素（ＳｉＯ２）等を用いることができる。
上述の積層膜３０は、例えばスパッタリング法等により成膜を行い、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により所望の形状にパターニングすることで形成することができる。また、積層膜３０のパターニングは、リフトオフ技術により行うこともできる。第１圧電薄膜１４ａ、温度補償膜１６、及び第２圧電薄膜１４ｂの外周のエッチングは、例えば上部電極１８をマスクとしたウェットエッチングにより行うことができる。
下部電極１２の下方に位置するドーム状の空隙４２は、下部電極１２を形成する前に予め設けられていた犠牲層（不図示）を、上述の積層膜３０の形成後に除去することにより形成することができる。犠牲層には、例えばＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｇｅ、ＳｉＯ２等の、エッチング液またはエッチングガスにより容易に溶解することができる材料を用いることができ、例えばスパッタリング法または蒸着法等により形成することができる。犠牲層は、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、予め所望の形（空隙４２の形状）に成形される。積層膜３０の形成後は、下部電極１２に形成されたエッチング媒体導入孔５０及びエッチング媒体導入路５２を介して、下部電極１２の下にエッチング媒体を導入することにより、犠牲層の除去を行う。
図３は、圧電薄膜（１４ａ、１４ｂ）の中央部に温度補償膜１６が設けられた弾性波フィルタにおける、温度補償膜１６の膜厚に対する、周波数温度係数（ＴＣＦ）及び実効的電気機械結合係数（Ｋ２ ｅｆｆ）の関係を示すグラフである。各積層膜の材質及び膜厚は、基板１０側から順に、下部電極１２がＣｒ（１００ｎｍ）及びＲｕ（２００ｎｍ）、第１圧電薄膜１４ａがＡｌＮ（６３０ｎｍ）、温度補償膜１６がＳｉＯ２、第２圧電薄膜１４ｂがＡｌＮ（６３０ｎｍ）、上部電極１８がＲｕ（２３０ｎｍ）及びＣｒ（３５ｎｍ）としてシミュレーションを行った。図示するように、ＴＣＦ［ｐｐｍ／℃］とＫ２ ｅｆｆ［％］との間にはトレードオフの関係があり、温度補償膜１６（ＳｉＯ２）の膜厚を大きくすると、ＴＣＦの値は改善（絶対値が減少）するが、Ｋ２ ｅｆｆの値は減少してしまう。
図４は、周波数温度係数ＴＣＦと比帯域幅との関係を示すグラフである。ここで、所望の比帯域幅［％］（＝帯域幅＊１００／中心周波数）を有するラダー型フィルタを得るためには、当該比帯域幅の約２倍のＫ２ ｅｆｆが必要とされるという関係が知られている。ＴＣＦの値をＴ［ｐｐｍ／℃］とすると、比帯域幅は、「比帯域幅［％］＝−０．０４１＊Ｔ＋２．１７」という関係式で表される。図４は、上記の関係式をグラフに表したものである。図３及び図４によれば、ＴＣＦの値を改善するために温度補償膜１６を厚くすると、Ｋ２ ｅｆｆが低下し、その結果フィルタの比帯域幅が小さくなってしまう。
図５は、比較例及び実施例１〜３に係る弾性波フィルタにおける、各圧電薄膜共振子の共振周波数を示す表である。ここでは、Ｂａｎｄ２（送信帯域：１８５０−１９１０ＭＨｚ、受信帯域：１９３０−１９９０ＭＨｚ）の送信向けのフィルタを例に説明する。フィルタＡ、Ｂ、及びＧは比較例（図１）、フィルタＣは実施例１（図１）、フィルタＤ〜Ｆは実施例２（図１１）に係る弾性波フィルタであるが、それぞれ４つの直列共振子Ｓ１〜Ｓ４と３つの並列共振子Ｐ１〜Ｐ３を備えている点は共通である。また、フィルタＡ〜Ｇのうち、フィルタＢ〜Ｇの圧電薄膜共振子は、図２に示すように、圧電薄膜（１４ａ、１４ｂ）に温度補償膜１６を挿入した構成となっている。一方、フィルタＡの圧電薄膜共振子は、温度補償膜１６を圧電薄膜に挿入せずに表層に設けた構成となっている（フィルタＡの構成を示す図面は省略している）。
比較例に係る弾性波フィルタ（フィルタＡ、Ｂ、及びＧ）では、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４の共振周波数は互いに等しく設定され（Ａ：１８７８ＭＨｚ、Ｂ：１８８６ＭＨｚ、Ｇ：１８９３ＭＨｚ）、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３の共振周波数も互いに等しく設定されている（Ａ：１８１５ＭＨｚ、Ｂ：１８３７ＭＨｚ、Ｇ：１８３４ＭＨｚ）。換言すれば、比較例に係る弾性波フィルタでは、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４の全ての共振周波数がそれらの平均値と等しく、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３の全ての共振周波数がそれらの平均値と等しくなっている。
図６は、比較例に係る弾性波フィルタのうち、フィルタＡ及びＢの帯域特性の比較を示すグラフである。フィルタＡの各積層膜の材質及び膜厚は、基板１０側から順に、下部電極１２がＣｒ（１００ｎｍ）及びＲｕ（２３０ｎｍ）、圧電薄膜１４がＡｌＮ（１３００ｎｍ）、上部電極１８がＲｕ（符号１８a、２３０ｎｍ）及びＣｒ（符号１８ｂ、３０ｎｍ）、第１質量負荷膜２２（並列共振子Ｐ１〜Ｐ３のみ）がＴｉ（１１０ｎｍ）、周波数調整膜２０がＳｉＯ２（５０ｎｍ）としてシミュレーションを行った。
フィルタＢの各積層膜の材質及び膜厚は、基板１０側から順に、下部電極１２がＣｒ（８５ｎｍ）及びＲｕ（１９５ｎｍ）、第１圧電薄膜１４ａがＡｌＮ（５５０ｎｍ）、温度補償膜１６がＳｉＯ２（７０ｎｍ）、第２圧電薄膜がＡｌＮ（５５０ｎｍ）、上部電極１８がＲｕ（１９５ｎｍ）及びＣｒ（２５ｎｍ）、第１質量負荷膜２２（並列共振子Ｐ１〜Ｐ３のみ）がＴｉ（８０ｎｍ）、周波数調整膜２０がＳｉＯ２（５０ｎｍ）としてシミュレーションを行った。温度補償膜１６（ＳｉＯ２）の厚みを７０ｎｍとすることにより、フィルタのＴＣＦを実質的に０とした。
図６（ａ）はフィルタ帯域の通過特性を、図６（ｂ）は出力端子におけるリターンロス特性を、図６（ｃ）は入力端子におけるリターンロス特性をそれぞれ示している。フィルタＡの特性は点線で、フィルタＢの特性は実線で示している。グラフの中央部における水平方向の直線は、Ｂａｎｄ２で要求される通過帯域（１８５０−１９１０ＭＨｚ）及び減衰レベルを示している（以下のグラフにおいても同様とする）。温度補償膜１６が挿入されたフィルタＢでは、温度補償膜１６を備えていないフィルタＡに比べ、入力端子及び出力端子における整合状態が悪く、帯域幅が小さくなってしまっている。なお、フィルタＡにおけるＫ２ ｅｆｆの値は６．７〜７．３％であり、フィルタＢにおけるＫ２ ｅｆｆの値は４．４〜４．６％である。このように、フィルタＢではフィルタＡに比べてＫ２ ｅｆｆの値が減少し、その結果帯域幅が小さくなっている。
以上のように、比較例に係る弾性波フィルタでは、ラダーフィルタを構成する共振子の圧電薄膜（１４ａ、１４ｂ）の中央部に温度補償膜１６を挿入することで、ＴＣＦは改善するものの、Ｋ２ ｅｆｆが低下し、帯域幅が小さくなってしまう。一方で、無理に広帯域化を図ろうとすると、フィルタの整合が悪化してしまう。
また、温度補償膜１６を圧電薄膜（１４ａ、１４ｂ）の中央部に挟んだ場合、温度補償膜１６が表層にある場合に比べ、共振周波数の膜厚依存性が大きくなってしまう。例えば、フィルタＡのように、温度補償膜を表層に設けた場合、１％の膜厚変動に対する共振周波数の変化量は０．００７％であるが、フィルタＢ〜Ｇのように、温度補償膜を圧電薄膜の間に設けた場合には、上記変化量は０．１４％と大幅に増大する。その結果、共振周波数のばらつきが増大し、より厳しい周波数制御が必要となってしまう。
以下の実施例では、上記の各課題を解決し、弾性波フィルタの広帯域化及び整合改善を図ると共に、共振周波数のばらつきを抑制することのできる構成について説明する。
図７（ａ）〜（ｃ）は、実施例１に係る弾性波フィルタにおける圧電薄膜共振子の構成を示す模式図であり、比較例の図２（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ対応する。実施例１に係る圧電薄膜共振子の構成は、基本的に比較例と同様であるが、上部電極１８と周波数調整膜２０との間の共振領域４０に、周波数制御用の質量負荷膜（以下、第２質量負荷膜２４）が形成されている点が異なる。第２質量負荷膜２４は、後述するように、弾性波フィルタを構成する各共振子の共振周波数を異ならせるために使用される。比較例に係る弾性波フィルタ（フィルタＡ、Ｂ、及びＧ）では、第２質量負荷膜２４は使用されていない。
図８は、第２質量負荷膜２４の詳細な構成を示す模式図である。図８（ａ）及び（ｂ）は上面模式図であり、図８（ｃ）〜（ｆ）は断面模式図である。図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２質量負荷膜２４には、同一形状且つ同一サイズのパターン（以下、点状パターン６０）が等間隔で形成されており、各点状パターン６０同士は、より小さい幅のパターン（以下、線状パターン６２）で接続されている。図８（ｃ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面模式図であり、点状パターン６０及び線状パターン６２が凸型構造となるように形成されている。図８（ｄ）は図８（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面模式図であり、点状パターン６０及び線状パターン６２が凹型構造となるように形成されている。また、図８（ｅ）及び（ｆ）は、それぞれ図８（ｃ）及び（ｄ）に対応する変形例であり、第２質量負荷膜２４の凹部における厚みが大きくなっている。第２質量負荷膜２４に形成されるパターンは、上記以外にも様々な形状とすることができる。
本実施例では、第２質量負荷膜２４としてチタン（Ｔｉ）を用いているが、他にもアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、二酸化珪素（ＳｉＯ２）等を用いることができる。第２質量負荷膜２４のパターニングの際には、例えばフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、所望のパターンを形成することができる。また、エッチングが困難な場合には、リフトオフ技術を用いて第２質量負荷膜２４のパターニングを行ってもよい。
実施例１では、第２質量負荷膜２４をパターニングすることにより、各共振子における質量負荷膜の面積（被覆率）を変化させ、共振周波数を互いに異ならせることができる。以下、この点について詳細に説明する。
図９（ａ）〜（ｂ）は、質量負荷膜の被覆率と共振周波数との関係を示す表である。図９（ａ）は、共振周波数が設計値通りとなっている例であり、図９（ｂ）は、膜厚が設計値からずれたことにより、共振周波数が設計値からずれている場合の例である。ここでは、後述の実施例２に係るフィルタＤ（図５、図１１参照）を例に説明を行うが、フィルタＤの構成は実施例１に係るフィルタＣの構成と基本的に同様であり、図９に示す被覆率と共振周波数との関係は、フィルタＣに対しても同様に該当する。フィルタＤの各積層膜の材質及び膜厚は、基板１０側から順に、下部電極１２がＣｒ（８５ｎｍ）及びＲｕ（１９５ｎｍ）、第１圧電薄膜１４ａがＡｌＮ（５５０ｎｍ）、温度補償膜１６がＳｉＯ２（７０ｎｍ）、第２圧電薄膜がＡｌＮ（５５０ｎｍ）、上部電極１８がＲｕ（１９５ｎｍ）及びＣｒ（２５ｎｍ）、第１質量負荷膜２２（並列共振子Ｐ１〜Ｐ３のみ）がＴｉ（９５ｎｍ）、第２質量負荷膜２４がＴｉ（膜厚は後述）、周波数調整膜２０がＳｉＯ２（１０ｎｍ）となっている。これらは、実施例１に係るフィルタＣの積層膜３０の構成と同様である。
図９において、被覆率０％とは、第２質量負荷膜２４が全く形成されていない状態を示し、被覆率１００％とは、第２質量負荷膜２４が形成され且つパターン加工されていない状態を示す。図９（ａ）に示すように、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振子Ｐ１〜Ｐ３のそれぞれのうち、最も高い共振周波数を有する共振子（Ｓ４、Ｐ２）において、第２質量負荷膜２４の被覆率が０％となっている。これらの共振子Ｓ４及びＰ２からの周波数の差分が、必要な周波数シフト量である。本実施例では、周波数を最大１３ＭＨｚシフトさせる必要がある。第２質量負荷膜２４（Ｔｉ）の膜厚に対する周波数シフト量は０．６３ＭＨｚ／ｎｍであることから、必要な膜厚は２１ｎｍとなる。そして、周波数制御用の第２質量負荷膜２４の被覆率に対して周波数はリニアにシフトすることから、各共振子における被覆率は図９（ａ）のように導かれる。
また、図９（ｂ）に示すように、共振子の共振周波数が設計値からずれている（本実施例では所望値より３ＭＨｚ高めにずれているものとする）場合、必要な周波数シフト量は、図９（ａ）から＋３ＭＨｚした値となり、最大シフト量は１６ＭＨｚとなる。このとき、第２質量負荷膜２４に必要な膜厚は２５ｎｍとなり、各共振子における被覆率は図９（ｂ）のように導かれる。
実施例１に係る弾性波フィルタでは、上記の関係を利用して、第２質量負荷膜２４にパターニングを施すことにより被覆率（面積）を変化させ、各共振子の共振周波数を任意に変更することができる。ここで、被覆率が小さい場合（例えば、５０％未満）には、図８（ａ）、（ｃ）、（ｅ）に示すような凸型のパターンを用い、被覆率が大きい場合（例えば、５０％以上）場合には、図８（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）に示すような凹型のパターンを用いることが好ましい。
図１０は、実施例１に係る弾性波フィルタ（フィルタＣ）と、比較例（フィルタＢ）との帯域特性の比較を示すグラフである。フィルタＢの各積層膜の材質及び膜厚は、比較例にて説明したものと同様であり、フィルタＣの各積層膜の材質及び膜厚は、フィルタＤと同様である。図５に示すように、実施例１に係るフィルタＣでは、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４のうちＳ１の共振周波数が１８９６ＭＨｚであり、残りの直列共振子Ｓ２〜Ｓ４の共振周波数は１８８６ＭＨｚで等しく、４つある直列共振子Ｓ１〜Ｓ４のうち１つの共振周波数が異なる構成となっている。また、フィルタＣでは、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３のうちＰ１の共振周波数が１８３４ＭＨｚ、Ｐ２の共振周波数が１８４３ＭＨｚ、Ｐ３の共振周波数が１８３８ＭＨｚとなっており、全ての並列共振子Ｐ１〜Ｐ３の共振周波数が異なる構成となっている。
図１０（ａ）はフィルタ帯域の通過特性を、図１０（ｂ）は出力端子におけるリターンロス特性を、図１０（ｃ）は入力端子におけるリターンロス特性をそれぞれ示している。第２質量負荷膜２４のパターニングにより各共振子の共振周波数を異ならせたフィルタＣでは、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振子Ｐ１〜Ｐ３のそれぞれにおいて共振子の共振周波数が等しいフィルタＢに比べ、入力端子及び出力端子における整合状態が改善されている。
以上のように、実施例１に係る弾性波フィルタによれば、共振領域４０に設けられた第２質量負荷膜２４の面積（被覆率）を変化させることにより、ラダーフィルタにおける各圧電薄膜共振子の共振周波数を異ならせることができる。その結果、SｉＯ２等の温度補償膜１６を用いた弾性波フィルタの広帯域化及び整合改善を図ることができる。また、温度補償膜１６の膜厚のばらつきにより共振周波数が所望の値からずれた場合でも、図９（ｂ）のように第２質量負荷膜２４の面積（被覆率）を変化させることで、共振周波数のずれを修正することができる。その結果、周波数のばらつきを抑制することができる。
弾性波フィルタにおける各共振子の共振周波数を制御する方法としては、他にも共振子ごとに積層膜３０の一部の膜厚を変更する方法や、質量負荷膜を別途設ける等の方法が考えられる。しかし、上記の方法では、異ならせる共振周波数の数が増えるに従い、製造工程（成膜工程、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程等）が煩雑化し、デバイスの製造コストが向上してしまう。これに対し、実施例１のように、第２質量負荷膜２４のパターニングにより被覆率（面積）を変化させる方法では、第２質量負荷膜２４の膜厚は全共振子で同一とすることができる。また、パターニング（被覆率）の変更は比較的容易に行うことができるため、他の方法に比べて共振周波数の調整を容易に行うことができ、製造工程上有利である。
実施例２は、ラダーフィルタの構成を変更した例である。
図１１は、実施例２に係る弾性波フィルタ（フィルタＤ）の構成を示す回路図である。実施例１に係る弾性波フィルタの回路構成は、実施例１に係る弾性波フィルタ（図１）の構成と基本的に同様であるが、インダクタＬ１及びＬ２に加え、入力端子Ｉｎと直列共振子Ｓ４との間に、一端が接地されたインダクタＬ３が接続されている点が異なる。ラダーフィルタを構成する圧電薄膜共振子の構成は、実施例１（図７、図８）と同様である。なお、各共振子の共振周波数は、図５のフィルタＤの欄に示す通りとなっている。
図１２は、実施例２に係る弾性波フィルタ（フィルタＤ）と、実施例１に係る弾性波フィルタ（フィルタＣ）との帯域特性の比較を示すグラフである。図１２（ａ）はフィルタ帯域の通過特性を、図１２（ｂ）は出力端子におけるリターンロス特性を、図１２（ｃ）は入力端子におけるリターンロス特性をそれぞれ示している。インダクタＬ３を追加することにより、フィルタの帯域幅は拡大し（図１２（ａ））、入力端子及び出力端子における整合状態も改善されている（図１２（ｂ）、（ｃ））。
図１３は、実施例２に係る弾性波フィルタ（フィルタＤ）と、比較例に係る弾性波フィルタ（フィルタＧ）との帯域特性の比較を示すグラフである。図５に示すように、フィルタGの回路構成はフィルタＤ（図１１）と同様であり、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４同士の共振周波数は１８９３ＭＨｚで等しく、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３同士の共振周波数は１８３４ＭＨｚで等しい。
図１３（ａ）はフィルタ帯域の通過特性を、図１３（ｂ）は出力端子におけるリターンロス特性を、図１３（ｃ）は入力端子におけるリターンロス特性をそれぞれ示している。実施例２に係るフィルタＤのように、各共振子の共振周波数を異ならせることにより、フィルタの帯域幅は大幅に拡大し（図１３（ａ））、入力端子及び出力端子における整合状態も改善されている（図１３（ｂ）、（ｃ））。
以上のように、実施例２に係る弾性波弾性波によれば、入力端子Ｉｎとグランドとの間にインダクタＬ３を設けることにより、フィルタの広帯域化及び整合改善効果をさらに高めることができる。また、同じようにインダクタＬ３が設けられたフィルタ同士であっても、各圧電薄膜共振子の共振周波数を異ならせることで、フィルタのさらなる広帯域化及び整合改善を図ることができる。
実施例３は、圧電薄膜の圧電性を向上させた圧電薄膜共振子を用いた例である。
実施例３に係る弾性波フィルタ（フィルタＥ、Ｆ）の回路構成は、実施例２（図１１）と同様であり、ラダーフィルタを構成する圧電薄膜共振子の構成は、実施例１及び２（図７、図８）と同様である。実施例１及び２と異なり、圧電薄膜共振子の圧電薄膜（第１圧電薄膜１４ａ及び第２圧電薄膜１４ｂ）には、圧電定数（ｅ３３）を高めるための元素が添加されている。圧電定数を高める元素としては、例えばアルカリ土類金属（スカンジウム（Ｓｃ）等）や希土類金属（エルピウム（Ｅｒ）等）を用いることができる。
比較例及び実施例１〜２に係る圧電薄膜共振子では、圧電薄膜の圧電定数（ｅ３３）は１．５４［Ｃ／ｍ２］に設定されている。実施例３に係る弾性波フィルタのうち、フィルタＥは圧電定数を（ｅ３３）１０％向上させて１．６９［Ｃ／ｍ２］としており、フィルタＦは圧電定数（ｅ３３）を２０％向上させて１．８５［Ｃ／ｍ２］としている。
図１４は、実施例３に係る弾性波フィルタ（フィルタＥ、Ｆ）と、実施例２に係る弾性波フィルタ（フィルタＤ）との帯域特性の比較を示すグラフである。図１４（ａ）はフィルタ帯域の通過特性を、図１４（ｂ）は出力端子におけるリターンロス特性を、図１４（ｃ）は入力端子におけるリターンロス特性をそれぞれ示している。図示するように、圧電薄膜（１４ａ、１４ｂ）の圧電性が向上するに従い、帯域幅が大きく拡大すると共に（図１４（ａ））、入力端子及び出力端子における整合状態も改善されている（図１４（ｂ）、（ｃ））。
実施例３に係る弾性波フィルタによれば、圧電薄膜共振子における圧電薄膜の圧電性を向上させることにより、フィルタの広帯域化及び整合改善効果をさらに高めることができる。また、同じように圧電薄膜の圧電性を高めた弾性波フィルタであっても、各圧電薄膜共振子の共振周波数を異ならせることで、フィルタのさらなる広帯域化及び整合改善を図ることができる。
実施例１〜３では、温度補償膜１６を第１圧電薄膜１４ａと第２圧電薄膜１４ｂとの間に形成したが、温度補償膜１６は、下部電極１２と上部電極１８とが対向する共振領域４０内であれば、上記以外の場所に形成してもよい。ただし、温度補償膜１６の少なくとも一部は、下部電極１２と上部電極１８との間に挟まれるようにすることが好ましい。
また、実施例１〜３では、周波数制御用の第２質量負荷膜２４を上部電極１８と周波数調整膜２０の間に形成したが、第２質量負荷膜２４は、共振領域４０内であればこれ以外の場所に形成してもよい。また、第２質量負荷膜２４は、２つ以上の異なる層の上に形成されていてもよい。第２質量負荷膜２４は、パターニングされることにより、共振領域４０とは異なる形状を有する。実施例１〜３では、周期的なパターンを形成する例について説明したが、パターンは非周期的であってもよい。また、実施例１〜３では、点状パターン６０と線状パターン６２の両方を形成する例について説明したが、例えば線状パターン６２を形成せずに点状パターン６０のみとしてもよい。
また、実施例１〜３では、下部電極１２の下にドーム状の空隙４２が形成された圧電薄膜共振子を例に説明を行ったが、圧電薄膜共振子の構成は他の形態であってもよい。
図１５は、実施例１〜３の変形例に係る圧電薄膜共振子の構成を示す模式図である。本図では、基板１０、下部電極１２、第１圧電薄膜１４ａ、温度補償膜１６、第２圧電薄膜１４ｂ、及び上部電極１８についてのみ図示し、他の積層膜（質量負荷膜及び周波数調整膜）の記載は省略しているが、積層膜３０の構成は実施例１〜３と同様であり、パターンニングによる共振周波数の制御が可能な第２質量負荷膜２４を含むものである。
図１５（ａ）は、基板１０の表面に設けられた凹部（空隙４２）に犠牲層（不図示）を埋め込み、その上に形成される下部電極１２を平坦化させた例である。平坦化させた基板１０及び犠牲層の表面に、下部電極１２をはじめとする積層膜３０を形成した後、犠牲層をウェットエッチング等により除去することで、本構成の圧電薄膜共振子を得ることができる。このように、空隙４２の形状をドーム状以外の形状とすることもできる。
図１５（ｂ）は、下部電極１２の下に空隙を形成する代わりに、音響反射膜４４を用いたＳＭＲ（Solid Mounted Resonator）型の共振子である。音響反射膜４４は、音響インピーダンスが高い膜と低い膜とを、交互にλ／４（λは弾性波の波長）の膜厚で積層したものである。基板１０の表面に音響反射膜４４を形成し、その上に下部電極１２をはじめとする積層膜３０を形成することで、本構成の圧電薄膜共振子を得ることができる。このように、下部電極１２の下に空隙を作らない構成を採用することもできる
実施例１〜３（図１、図１１）において、入力端子Ｉｎまたは出力端子Ｏｕｔとグランドとの間に接続されたインダクタ（Ｌ２、Ｌ３）を第１インダクタ、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３とグランドとの間に接続されたインダクタ（Ｌ１）を第２インダクタと称する。第１インダクタは、入力端子Ｉｎ側または出力端子Ｏｕｔ側の少なくとも一方に接続されていればよいが、入力端子Ｉｎ側及び出力端子Ｏｕｔ側の両方に接続されていることがより好ましい。
実施例１〜３では、ラダー型のフィルタ（図１、図１１）を例に説明を行ったが、実施例１〜３に係る圧電薄膜共振子を利用したフィルタの構成は、上記具体的な形態に限定されるものではない。例えば、図１及び図１１では、並列共振子Ｐ１〜Ｐ３の一端を共通化した上で、インダクタＬ１を介して接地する構成としているが、各並列共振子Ｐ１〜Ｐ３のそれぞれにインダクタを接続した上で共通化してもよい。また、実施例１〜３では直列共振子の数を４（Ｓ１〜Ｓ４）、並列共振子の数を３（Ｐ１〜Ｐ３）としたが、各共振子の数はこれ以外であってもよい。このとき、複数の並列共振子のうち、２以上の並列共振子を共通化した上で、インダクタを介して接地する構成としてもよい。また、以下に説明するように、弾性波フィルタの構成をラダー型以外としてもよい。
図１６は、実施例１〜３の変形例に係る、ラティス型の弾性波フィルタの構成を示す回路図である。ラティス型の弾性波フィルタは、２つの入力端子（第１入力端子Ｉｎ１及び第２入力端子Ｉｎ２）と、２つの出力端子（第１出力端子Ｏｕｔ１及び第２出力端子Ｏｕｔ２）とを備える。第１入力端子Ｉｎ１と第１出力端子Ｏｕｔ１との間には直列共振子Ｓ１が、第２入力端子Ｉｎ２と第２出力端子Ｏｕｔ２との間には直列共振子Ｓ２が、それぞれ接続されている。また、第１入力端子Ｉｎ１と第２出力端子Ｏｕｔ２との間には並列共振子Ｐ１が、第２入力端子Ｉｎ２と第１出力端子Ｏｕｔ１との間には並列共振子Ｐ２が、それぞれ接続されている。
直列共振子Ｓ１〜Ｓ２及び並列共振子Ｐ１〜Ｐ２は、それぞれ実施例１〜３と同様の構成の圧電薄膜共振子であり、温度補償膜１６及び第２質量負荷膜２４を有する。従って、実施例１〜３と同じように、第２質量負荷膜２４のパターンを変更することにより、直列共振子Ｓ１〜Ｓ２及び並列共振子Ｐ１〜Ｐ２における互いの共振周波数を異ならせ、フィルタの広帯域化及び整合改善を図ることができる。以上のように、実施例１〜３に係る圧電薄膜共振子は、ラダー型以外の型のフィルタに対しても適用することができる。
図１７は、実施例１〜３に係る弾性波フィルタを用いたデュプレクサの構成を示す回路図である。デュプレクサは、送信端子ＴＸ、受信端子ＲＸ、及び共通のアンテナ端子Ａｎｔを有する。送信端子ＴＸとアンテナ端子Ａｎｔとの間には送信フィルタ７０が、受信端子ＲＸとアンテナ端子Ａｎｔとの間には受信フィルタ７２がそれぞれ配置されている。
送信フィルタ７０の構成は、共に実施例２（図１１）で示したフィルタの構成と同様であり、４つの直列共振子（Ｓ１１〜Ｓ１４）と３つの並列共振子（Ｐ１１〜Ｐ１３）、並びにインダクタ（Ｌ１１及びＬ１２）を含む。ただし、アンテナ端子Ａｎｔ側のインダクタＬ１については、送信フィルタ７０及び受信フィルタ７２で共通化されている。これは、図１及び図１１における出力端子Ｏｕｔ側のインダクタＬ２と同様の整合機能を果たす。
受信フィルタ７２は、４つの直列共振子（Ｓ２１〜Ｓ２４）と４つの並列共振子（Ｐ２１〜Ｐ２４）、並びにインダクタ（Ｌ２１〜Ｌ２５）を含む。送信フィルタ７０と異なり、並列共振子Ｐ２１〜Ｐ２４のグランド側は共通化されずに、個々のインダクタＬ２２〜Ｌ２５を介して接地されている。また、アンテナ端子Ａｎｔ側のインダクタＬ１が、送信フィルタ７０と共通化されている。
図１６に示す構成のデュプレクサにおいても、実施例１〜３に係る圧電薄膜共振子を用いて、直列共振子同士または並列共振子同士の共振周波数を異ならせることにより、広帯域化及び整合改善を図ることができる。
上記のデュプレクサでは、アンテナ端子Ａｎｔとグランドとの間に、整合用素子としてインダクタＬ１を配置したが、整合用素子の形態は上記に限定されるものではない。例えば、インダクタＬ１の代わりに、複数の素子からなる整合回路を用いてもよい。また、上記のデュプレクサでは、送信フィルタ７０及び受信フィルタ７２の双方を、実施例２（図１１）と同様の回路構成としているが、いずれか一方のみを当該回路構成としてもよい。また、送信フィルタ７０及び受信フィルタ７２のうち、いずれか一方のフィルタをＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）フィルタとしてもよい。ＳＡＷフィルタは、例えば受信端子がバランス出力である場合に、ＤＭＳ（Double Mode Saw）のＳＡＷフィルタを使用することが考えられる。
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
１２ 下部電極
１４ 圧電薄膜
１６ 温度補償膜
１８ 上部電極
２０ 周波数調整膜
２２ 第１質量負荷膜
２４ 第２質量負荷膜
３０ 積層膜
４０ 共振領域
４２ 空隙
４４ 音響反射膜
５０ エッチング媒体導入孔
５２ エッチング媒体導入路
６０ 点状パターン
６２ 線状パターン
７０ 送信フィルタ
７２ 受信フィルタ

Claims (9)

  1. 複数の圧電薄膜共振子を含む弾性波フィルタであって、
    前記圧電薄膜共振子は、
    基板と、
    前記基板上に設けられた圧電薄膜と、
    前記圧電薄膜の少なくとも一部を挟んで設けられた下部電極及び上部電極と、
    前記下部電極及び上部電極が対向する共振領域に設けられ、前記共振領域とは異なる形状を有する周波数制御用の質量負荷膜と、
    少なくとも一部が、前記共振領域における、前記下部電極及び前記上部電極の間に設けられ、前記圧電薄膜の弾性定数の温度係数とは逆符号の温度係数を持つ温度補償膜と、を備え、
    前記複数の圧電薄膜共振子のうち少なくとも２つは、前記質量負荷膜の面積が互いに異なることを特徴とする弾性波フィルタ。
  2. 前記複数の圧電薄膜共振子は、前記弾性波フィルタの直列腕及び並列腕のそれぞれに複数配置され、
    前記直列腕に配置された前記複数の圧電薄膜共振子、及び前記並列腕に配置された前記複数の圧電薄膜共振子の少なくとも一方は、前記質量負荷膜の面積が互いに異なる２つの前記圧電薄膜共振子を含むことを特徴とする請求項１に記載の弾性波フィルタ。
  3. 前記温度補償膜は、酸化シリコンを主成分とすることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性波フィルタ。
  4. 前記圧電薄膜は、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性波フィルタ。
  5. 前記窒化アルミニウムは、圧電定数を高める元素を含有することを特徴とする請求項４に記載の弾性波フィルタ。
  6. 入力端子及び出力端子と、
    前記入力端子とグランドとの間、及び前記出力端子とグランドとの間の少なくとも一方に接続された第１インダクタと、
    を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性波フィルタ。
  7. 前記複数の圧電薄膜共振子のうち前記並列腕に接続された前記圧電薄膜共振子とグランドとの間に接続された第２インダクタを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性波フィルタ。
  8. 前記弾性波フィルタにおける通過帯域端の周波数温度係数をＴ［ｐｐｍ／℃］とした場合に、比帯域幅が−０．０４１＊Ｔ＋２．１７［％］以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性波フィルタ。
  9. 送信用フィルタ及び受信用フィルタを備えたデュプレクサであって、
    前記送信用フィルタ及び前記受信用フィルタの少なくとも一方は、請求項１から８のいずれか1項に記載の弾性波フィルタを含むことを特徴とするデュプレクサ。
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