JP5390431B2 - 弾性波デバイス - Google Patents

Description

本発明は、弾性波デバイスに関し、例えば圧電薄膜共振器を含む弾性波デバイスに関する。

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、共振領域内の上部電極上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、共振領域内の上部電極上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および３）

特開２００２−３３５１４１号公報 米国特許６６５７３６３号明細書 特開２００８−１７２４９４号公報

共振領域内に開口を設け、共振領域内の質量負荷膜の面積を変えることにより、共振周波数を調整することができる。しかしながら、共振周波数の調整の範囲を広げるため、質量負荷膜の膜厚を大きくすると、共振特性が劣化してしまう。

本弾性波デバイスは、共振特性の劣化を抑制することを目的とする。

例えば、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および上部電極と、前記圧電薄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と、前記共振領域に複数の島パターンを備える第１質量負荷膜と、前記共振領域に前記複数の島パターンに対応する位置にそれぞれ設けられた複数の開口パターンを備える第２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を用いる。

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、第１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、第２質量負荷膜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（ｅ）は、直列共振器の製造工程を示す断面図である。 図６（ａ）から図６（ｅ）は、並列共振器の製造工程を示す断面図である。 図７は、シミュレーションに用いた実施例１の模式図である。 図８は、シミュレーションに用いた比較例１の模式図である。 図９は、シミュレーションに用いた比較例２の模式図である。 図１０は、シミュレーションに用いた比較例３の模式図である。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、実施例１、比較例１および比較例４の共振特性を示した図である。 図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、実施例１、比較例２および比較例４の共振特性を示した図である。 図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例１、比較例３および比較例４の共振特性を示した図である。 図１４（ａ）から図１４（ｃ）は、実施例１、比較例１および比較例２の質量負荷膜の被覆率に対する共振特性を示した図である。 図１５（ａ）から図１５（ｅ）は、シミュレーションした実施例１の別の模式図である。 図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、第２質量負荷膜の被覆率を２０％および８０％とした実施例１の共振特性を示した図である。 図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、第２質量負荷膜の被覆率を４０％、５０％および６０％とした実施例１の共振特性を示した図である。 図１８（ａ）から図１８（ｃ）は、実施例２、比較例５および比較例１の上部電極を示す図である。 図１９（ａ）から図１９（ｃ）は、実施例２、比較例５および比較例１の質量負荷膜の被覆率に対する共振特性を示した図である。 図２０は、ラティス型フィルタを示す図である。

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。

図１は、実施例１の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Ｐ１０〜Ｐ３０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Ｐ１０〜Ｐ３０は、入出力端子Ｔ１とＴ２との間に並列に接続されている。つまり、並列共振器Ｐ１０は、直列共振器Ｓ１とＳ２との間のノードとグランドとの間に設けられている。並列共振器Ｐ２０は、直列共振器Ｓ２とＳ３との間のノードとグランドとの間に設けられている。並列共振器Ｐ３０は、直列共振器Ｓ３とＳ４との間のノードとグランドとの間に設けられている。

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。例えばＳｉ基板である基板１０上に、基板１０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は例えば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下に、第２質量負荷膜２９が設けられている。第２質量負荷膜２９は、例えばＴｉ（チタン）膜を含む。下部電極１２上に、例えば（００２）方向を主軸とするＡｌＮ（窒化アルミニウム）を含む圧電薄膜１４が設けられている。圧電薄膜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薄膜１４上に上部電極１６が設けられている。上部電極１６は例えばＲｕ層１６ａとＲｕ層１６ａ上のＣｒ層１６ｂとを含んでいる。このように、圧電薄膜１４は、基板１０上に設けられ、圧電薄膜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上に第１質量負荷膜２８が設けられている。第１質量負荷膜２８は、例えばＴｉ膜を含む。上部電極１６には周波数調整膜２４として例えば酸化シリコン膜が形成されている。積層膜１８は、第２質量負荷膜２９、下部電極１２、圧電薄膜１４、上部電極１６、第１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には後述する犠牲層をエッチングするための導入路３２が形成されている。導入路３２の先端付近は圧電薄膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路３２の先端に孔部３４を有する。図２（ａ）および図２（ｂ）のように、圧電薄膜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。

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、例えばＴｉ等の金属膜である第３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の積層膜に加え第３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。

例えば、２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、例えば第２質量負荷膜２９の膜厚は５０ｎｍ、下部電極１２のＣｒ層の膜厚は１００ｎｍ、Ｒｕ層の膜厚は２５０ｎｍ、圧電薄膜１４の膜厚は１１５０ｎｍである。例えばＲｕ層１６ａの膜厚は２５０ｎｍ、Ｃｒ層１６ｂの膜厚は２０ｎｍ、第１質量負荷膜２８の膜厚は５０ｎｍである。第３質量負荷膜２０の膜厚は１２５ｎｍである。

図３（ａ）は第１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内に複数の島パターンを備える第１質量負荷膜２８が設けられている。島パターンの中心位置をＣ１、周期をＰ１、幅をＷ１、膜厚をｔ１とする。

図４（ａ）は第２質量負荷膜２９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内に複数の開口パターン５４を備える第２質量負荷膜２９が設けられている。開口パターンの中心位置をＣ２、周期をＰ２、幅をＷ２、膜厚をｔ２とする。例えば、第１質量負荷膜２８の島パターンの中心位置Ｃ１と第２質量負荷膜２９の開口パターンの中心位置Ｃ２とはほぼ一致している。また、例えば、第１質量負荷膜２８の周期Ｐ１と第２質量負荷膜２９の開口パターンの周期Ｐ２とはほぼ一致している。さらに、例えば、第１質量負荷膜２８の幅Ｗ１と第２質量負荷膜２９の開口パターンの幅Ｗ２とはほぼ一致している。さらに、例えば、第１質量負荷膜２８の膜厚ｔ１と第２質量負荷膜２９の開口パターンの膜厚ｔ２とはほぼ一致している。

直列共振器Ｓおよび並列共振器Ｐの製造方法について説明する。図５（ａ）から図５（ｅ）は直列共振器の製造工程を示す断面図である。図６（ａ）から図６（ｅ）は並列共振器の製造工程を示す断面図である。図５（ａ）および図６（ａ）のように、基板１０上に、例えばスパッタリング法または蒸着法を用い、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜を犠牲層３８として形成する。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。犠牲層３８としては、ＭｇＯ以外に、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｇｅ（ゲルマニウム）等を用いることができる。犠牲層３８は、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材料が好ましい。露光技術およびエッチング技術を用い、犠牲層３８を所定の形状とする。

さらに、犠牲層３８上に第２質量負荷膜２９を形成する。第２質量負荷膜２９としては、Ｒｕ，Ｔｉ、Ｃｒ、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）、Ｉｒ（イリジウム）等の金属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の絶縁膜を用いることもできる。第２質量負荷膜２９に、露光技術およびエッチング技術を用い、開口パターンを形成する。また、リフトオフ法を用い開口パターンを形成してもよい。

図５（ｂ）および図６（ｂ）のように、犠牲層３８および第２質量負荷膜２９を覆うように、スパッタリング法を用い下部電極１２を形成する。下部電極１２としては、ＣｒおよびＲｕ以外にもＡｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ等を用いることができる。また、下部電極１２として、２層膜を例に説明したが、１層膜または３以上の多層膜でもよい。露光技術およびエッチング技術を用い、下部電極１２所定の形状とする。下部電極１２および基板１０上に、スパッタリング法を用い圧電薄膜１４を形成する。圧電薄膜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。

スパッタリング法を用いＲｕ層１６ａを形成する。Ｒｕ層１６ａ上に第３質量負荷膜２０を形成する。第３質量負荷膜２０としてはＴｉ膜以外にも下部電極１２について例示した材料を用いることができる。また、第３質量負荷膜２０として窒化金属または酸化金属等の絶縁膜を用いることもできるが、上部電極１６の低抵抗化のため金属であることが好ましい。露光技術およびエッチング技術を用い、第３質量負荷膜２０を並列共振器Ｐの共振領域５０のＲｕ層１６ａ上に残存し、直列共振器Ｓでは残存しないようにエッチングする。Ｒｕ層１６ａ上および第３質量負荷膜２０上にスパッタリング法を用いＣｒ層１６ｂを形成する。上部電極１６としては、Ｒｕ層１６ａおよびＣｒ層１６ｂ以外にも下部電極１２として例示した金属を用いることができる。

図５（ｃ）および図６（ｃ）のように、上部電極１６上に、第１質量負荷膜２８を形成する。第１質量負荷膜２８としては、上述した第２質量負荷膜２９と同じ材料を用いることができる。第１質量負荷膜２８に、露光技術およびエッチング技術を用い、島パターンを形成する。また、リフトオフ法を用い島パターンを形成してもよい。

図５（ｄ）および図６（ｄ）のように、露光技術およびエッチング法を用い、上部電極１６を所定の形状とする。上部電極１６上に周波数調整膜２４を形成する。周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外の酸化金属膜または窒化金属膜等の絶縁膜を用いることができる。露光技術およびエッチング法を用い、周波数調整膜２４および圧電薄膜１４を所定の形状とする。このとき下部電極１２が露出する開口部３６を形成する。

図５（ｅ）および図６（ｅ）のように、犠牲層３８をエッチングするためのエッチング液を孔部３４、導入路３２（図２（ａ）参照）を経て導入し、犠牲層３８を除去する。ここで、下部電極１２、圧電薄膜１４および上部電極１６からなる積層膜１８の応力は、スパッタリング条件の調整により圧縮応力となるように設定されている。このため、犠牲層３８のエッチングが完了した時点で、積層膜１８は膨れ上がり、下部電極１２と基板１０との間に積層膜１８側にドーム状形状を有する空隙３０が形成される。犠牲層３８をエッチングするエッチャントとしては、積層膜１８、特に犠牲層３８上の下部電極１２および第２質量負荷膜２９の材料をエッチングしない素性であることが好ましい。以上により、直列共振器Ｓおよび並列共振器Ｐが完成する。

次に、圧電薄膜共振器の動作原理について説明する。圧電薄膜共振器では、上部電極１６と下部電極１２との間に電気信号である高周波の電圧を印加すると、共振領域５０の圧電薄膜１４内に逆圧電効果に起因する弾性波が励振される。また、弾性波によって生じる圧電薄膜１４の歪みは圧電効果により上部電極１６と下部電極１２との間の電気信号に変換される。この弾性波は、圧電薄膜１４の上下に付加された膜がそれぞれ空気と接する面で全反射される。このため、圧電薄膜１４の厚み方向に主変位をもつ縦型振動となる。この縦型振動の共振現象を利用することで、所望の周波数特性を有する共振器またはフィルタを得ることができる。なお、実施例１では、圧電薄膜１４の下に付加された膜は第２質量負荷膜２９および下部電極１２であり、圧電薄膜１４の上に付加された膜は、上部電極１６、第１質量負荷膜２８、第３質量負荷膜２０および周波数調整膜２４である。

圧電薄膜１４の下に付加された膜、圧電薄膜１４および圧電薄膜１４の上に付加された膜からなる積層膜の総膜厚をＨとする。このとき、共振現象は、弾性波の波長λの１／２（１／２波長）の整数倍（ｎ倍）となる周波数（つまりＨ＝ｎλ／２となる周波数）において生じる。ここで、圧電薄膜の材料によって決まる弾性波の伝搬速度をＶとすると、共振周波数Ｆは、Ｆ＝ｎＶ／（２Ｈ）となる。このことから、積層膜１８の総膜厚Ｈにより共振周波数Ｆを制御することができる。

例えば、図１のようなラダー型フィルタ１００を設計する場合、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４の共振周波数と並列共振器Ｐ１０〜Ｐ３０の共振周波数とを異ならせる。そこで、図２（ｃ）のように、並列共振器Ｐ１０〜Ｐ３０の共振領域５０に第３質量負荷膜２０を形成し、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４の共振領域５０には第３質量負荷膜２０を形成しない。これにより、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４の共振周波数と並列共振器Ｐ１０〜Ｐ３０の共振周波数を異ならせることができる。なお、第３質量負荷膜２０は上部電極１６内に設けられていなくともよく、共振領域５０の積層膜１８内に設けられていればよい。また、第３質量負荷膜２０を設けず、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４と並列共振器Ｐ１０〜Ｐ３０とで、下部電極１２、圧電薄膜１４および上部電極１６の少なくとも１層の膜厚を異ならせてもよい。

さらに、図５（ｄ）および図６（ｄ）のように、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４と並列共振器Ｐ１０〜Ｐ３０の両方の共振領域５０に同じ膜厚の周波数調整膜２４を付加する。周波数調整膜２４の膜厚を同時に調整することにより、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４と並列共振器Ｐ１０〜Ｐ３０の両方の共振周波数の調整を同時に行なうことができる。

さらに、低損失で広帯域なフィルタ特性を得るためには、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４内の共振周波数を異ならせることが好ましい。また並列共振器Ｐ１０〜Ｐ３０の共振周波数についても異ならせることが好ましい。共振周波数は、ラダー型フィルタ内の全ての共振器で異なることが好ましい。そこで、図３（ａ）および図４（ａ）のように、共振領域５０に、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９を形成する。さらに、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４内または並列共振器Ｐ１０〜Ｐ３０内で共振領域５０内の第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９の形状を異ならせる。これにより、直列共振器Ｓ１〜Ｓ４内または並列共振器Ｐ１０〜Ｐ３０内で共振周波数を任意に設定することができる。

次に、実施例１の効果について調べるため、実施例１と比較例１〜３の共振特性をシミュレーションした。図７は、シミュレーションに用いた実施例１の模式図である。図７のように、圧電薄膜１４の下側に下部電極１２、上側に上部電極１６が設けられている。下部電極１２の下に第２質量負荷膜２９、上部電極１６の上に第１質量負荷膜２８が設けられている。

シミュレーションは２次元の有限要素法を用いた。シミュレーションに用いたパラメータは以下である。下部電極１２は、膜厚が１００ｎｍのＣｒ膜と、Ｃｒ膜上の膜厚が２００ｎｍのＲｕ膜と、を備えているとした。圧電薄膜１４は、膜厚が１２５０ｎｍのＡｌＮ膜とした。上部電極１６は、Ｒｕ膜１６ａの膜厚が２５０ｎｍ、Ｃｒ膜１６ｂの膜厚が２０ｎｍとした。第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９は、それぞれ膜厚が５０ｎｍのＴｉ膜とした。実施例１では、第１質量負荷膜２８の円状の島パターンの中心Ｃ１と第２質量負荷膜２９の円状開口パターンの中心Ｃ２が一致している。第１質量負荷膜２８の周期Ｐ１は７μｍ、幅Ｗ１は３．５μｍとした。第２質量負荷膜２９の周期Ｐ２は７μｍ、幅Ｗ２は３．５μｍとした。

図８は、シミュレーションに用いた比較例１の模式図である。図８のように、比較例１では、第１質量負荷膜２８の膜厚が１００ｎｍであり、第２質量負荷膜２９が設けられていない。

図９は、シミュレーションに用いた比較例２の模式図である。図９のように、比較例２では、周期Ｐ１と周期Ｐ２とが同じであり、第１質量負荷膜２８の島パターンの中心Ｃ１と第２質量負荷膜２９の開口パターンの中心Ｃ２とのシフトＬ１が周期Ｐ１×１／２である。その他の構成は実施例１と同様である。

図１０は、シミュレーションに用いた比較例３の模式図である。図１０のように、比較例３では、周期Ｐ１と周期Ｐ２とが同じであり、第１質量負荷膜２８の島パターンの中心Ｃ１と第２質量負荷膜２９の開口パターンの中心Ｃ２とのシフトＬ２が周期Ｐ１×１／４、または、周期Ｐ１×３／４である。その他の構成は実施例１と同様である。

さらに、比較例４として、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９を設けない共振器についても共振特性をシミュレーションした。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、実施例１、比較例１および比較例４の共振特性を示した図である。図１１（ａ）は１ポート特性の反射特性（すなわちリターンロス）を示し、０ｄＢに近いほどリターンロスが少ないことを示している。図１１（ｂ）は共振器の通過特性を示している。共振周波数付近で損失が参照となり、共振周波数から離れるに従い、損失が増加する。実線は実施例１、破線は比較例１、点線は比較例４の特性を示している。図１１（ａ）および図１１（ｂ）のように、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９を設けない比較例４の共振器では、リップルが生じていない。比較例１のように、第１質量負荷膜２８を設けた共振器では、比較例４に対し共振周波数および反共振周波数がシフトする。しかし、矢印のようにスパイク状のリップルが生じている。一方、実施例１においては、比較例４に対し共振周波数および反共振周波数がシフトし、かつスパイク状のリップルが生じていない。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、実施例１、比較例２および比較例４の共振特性を示した図である。図１２（ａ）は反射特性、図１２（ｂ）は通過特性を示している。実線は実施例１、破線は比較例２、点線は比較例４の特性を示している。図１２（ａ）および図１２（ｂ）のように、比較例２の共振器では、矢印のようにスパイク状のリップルが生じている。

図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例１、比較例３および比較例４の共振特性を示した図である。図１３（ａ）は反射特性、図１３（ｂ）は通過特性を示している。実線は実施例１、破線は比較例３、点線は比較例４の特性を示している。図１３（ａ）および図１３（ｂ）のように、比較例３の共振器では、矢印のようにスパイク状のリップルが生じている。

図１４（ａ）から図１４（ｃ）は、実施例１、比較例１および比較例２の質量負荷膜の被覆率に対する共振特性を示した図である。図１４（ａ）は、共振周波数移動量に対する共振点のＱ値、図１４（ｂ）は、共振周波数移動量に対する反共振点のＱ値、図１４（ｃ）は、共振周波数移動量に対する機械電気結合係数ｋ^２を示した図である。質量負荷膜の被覆率は、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９の共振領域５０内の被覆率を示している。被覆率が０％は、共振領域５０内に第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９が形成されていないことを示している。被覆率が１００％は、共振領域５０内が全て第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９で被覆されていることを示している。被覆率２０％〜８０％は、周期が７μｍで、共振領域５０における第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９が被覆した領域が２０〜８０％となるように、島パターンおよび開口パターンの大きさを変更している。２次元シミュレーションを用いているため、被覆率は、例えば第１質量負荷膜２８においては（島パターンの長さ）／（島パターンの長さ＋開口の長さ）、第２質量負荷膜２９においては、（島の長さ）／（島の長さ＋開口パターンの長さ）である。３次元では、例えば被覆率は共振領域５０の面積に対する第１質量負荷膜２８または第２質量負荷膜２９が被覆する面積に対応する。島パターンおよび開口パターンが円形の場合、例えば円形の直径を変更することにより被覆率を変更している。なお、島パターンおよび開口パターンは、円形状以外の形状でもよい。

図１４（ａ）から図１４（ｃ）のように、実施例１では、被覆率が大きくなると、共振周波数移動量が大きくなる。共振点のＱ値、反共振点のＱ値、機械電気結合係数は、被覆率によらず一定である。一方、比較例１および比較例２では、被覆率が大きくなると、共振周波数移動量が大きくなる。しかし、共振点のＱ値、反共振点のＱ値、機械電気結合係数は、被覆率が２０〜８０％で悪くなる。このように、比較例１および比較例２においては、図１１（ａ）から図１２（ｂ）に示したリップルに起因し、共振特性が劣化する。

図７のように、第１質量負荷膜２８の複数の島パターンに対応する位置に第２質量負荷膜２９の開口パターンを設ける。これにより、図１１（ａ）から図１３（ｂ）のように、リップルを抑制することができる。よって、図１４（ａ）から図１４（ｃ）のように、共振特性を劣化させることなく、共振周波数をシフトさせることができる。ここで、第１質量負荷膜２８の島パターンの位置に第２質量負荷膜２９の開口パターンの位置が対応するとは、例えば、第１質量負荷膜２８の島パターンと第２質量負荷膜２９の開口パターンとのずれが少なくともパターンの周期の１／４未満のことである。より好ましくは、第１質量負荷膜２８の複数の島パターンの中心と第２質量負荷膜２９の複数の開口部パターンの中心はそれぞれ一致していることである。

第１質量負荷膜２８の複数の島パターンに対応する位置に第２質量負荷膜２９の開口パターンを設けることにより、リップルを抑制し、共振特性の劣化が抑制できる理由は、弾性波による積層膜１８中の変位がバランスよく生じるためと考えられる。２つの質量負荷膜がともに島パターンを備える場合、または、２つの質量負荷膜がともに開口パターンを備える場合、積層膜１８中の変位がバランスよく生じないため、共振特性が劣化してしまう。

積層膜１８の変位のバランスよくするためには、第１質量負荷膜２８は、圧電薄膜１４に対し上下の一方に設け、第２質量負荷膜２９は、圧電薄膜１４に対し上下の他方に設けることが好ましい。

島パターンを備えた第１質量負荷膜２８を圧電薄膜１４に対し下側に設け、開口を備えた第２質量負荷膜２９を圧電薄膜１４に対し上側に設けてもよい。また、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９は、それぞれ、下部電極１２の下側、下部電極１２内の複数の層の間、または下部電極１２と圧電薄膜１４との間に設けてもよい。さらに、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９は、それぞれ、上部電極１６と圧電薄膜１４との間、上部電極１６と周波数調整膜２４との間、または周波数調整膜２４の上側に設けてもよい。

積層膜１８の変位のバランスをよくするためには、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９の一方を下部電極１２の下面に設け、かつ第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９の他方を上部電極１６の上面に設けることが好ましい。また、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９の一方を下部電極１２の複数の層の間に設け、かつ第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９の他方を上部電極１６の複数の層の間に設けることが好ましい。さらに、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９の一方を下部電極１２と圧電薄膜１４との間に設け、かつ第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９の他方を上部電極１６と圧電薄膜１４との間に設けることが好ましい。

積層膜１８の変位のバランスをよくするため、第１質量負荷膜２８の複数の島パターンおよび第２質量負荷膜２９の複数の開口パターンは周期的に設けられていることが好ましい。また、第１質量負荷膜２８の複数の島パターンと第２質量負荷膜２９の複数の開口パターンは同じ形状のパターンであることが好ましい。さらに、第１質量負荷膜２８の膜厚と第２質量負荷膜２９の膜厚は同じであることが好ましい。

図１５（ａ）から図１５（ｅ）は、シミュレーションした実施例１の別の模式図である。図１５（ａ）から図１５（ｅ）のように、第１質量負荷膜２８の被覆率を２０％とし、第２質量負荷膜２９の被覆率を２０％、８０％、４０％、５０％および６０％とした。図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、第２質量負荷膜２９の被覆率を２０％および８０％とした実施例１の共振特性を示した図である。図１６（ａ）は反射特性、図１６（ｂ）は通過特性を示している。実線は第２質量負荷膜２９の被覆率が２０％、破線は第２質量負荷膜２９の被覆率が８０％の特性を示している。図１６（ａ）および図１６（ｂ）のように、第２質量負荷膜２９の被覆率が２０％および８０％では、スパイク状のリップルが生じていない。

図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、第２質量負荷膜２９の被覆率を４０％、５０％および６０％とした実施例１の共振特性を示した図である。図１７（ａ）は反射特性、図１７（ｂ）は通過特性を示している。実線は第２質量負荷膜２９の被覆率が４０％、破線は第２質量負荷膜２９の被覆率が５０％、点線は第２質量負荷膜２９の被覆率が６０％の特性を示している。図１７（ａ）および図１７（ｂ）のように、第２質量負荷膜２９の被覆率が４０％、５０％および６０％では、スパイク状のリップルが生じている。

図１６（ａ）および図１６（ｂ）のように、第１質量負荷膜２８と第２質量負荷膜２９との被覆率は同じであることが好ましい。また、第１質量負荷膜２８の被覆率は、第２質量負荷膜２９の非被覆率（１００％−被覆率）と同じであることが好ましい。このように、第１質量負荷膜２８と第２質量負荷膜２９との被覆率が同じ、または、第１質量負荷膜２８の被覆率と第２質量負荷膜２９の非被覆率が同じ場合、弾性波による積層膜１８中の変位がバランスよく生じるため、リップルが抑制されるものと考えられる。

実施例２は、第１質量負荷膜２８と第２質量負荷膜２９とを圧電薄膜１４の上側に設けた例である。図１８（ａ）から図１８（ｃ）は、実施例２、比較例５および比較例１の上部電極を示す図である。図１８（ａ）は実施例２に係る共振器の上部電極を、図１８（ｂ）は比較例５に係る共振器の上部電極を、図１８（ｃ）は、比較例１に係る共振器の上部電極を示している。

図１８（ａ）のように、実施例２に係る共振器においては、Ｒｕ膜１６ａ上に第２質量負荷膜２９としてＴｉ膜が形成されている。第２質量負荷膜２９および第２質量負荷膜２９の開口内のＲｕ膜１６ａ上にＣｒ膜１６ｂが形成されている。Ｃｒ膜１６ｂ上に第１質量負荷膜２８としてＴｉ膜が形成されている。第１質量負荷膜２８の島パターンの中心と第２質量負荷膜２９の開口パターンの中心は一致している。その他の構成は、実施例１の図７と同じであり説明を省略する。

図１８（ｂ）のように、比較例５に係る共振器においては、第２質量付加膜２９上のＣｒ膜１６ｂ上に第１質量負荷膜２８が形成されている。第１質量負荷膜２８と第２質量負荷膜２９の形状は同じである。その他の構成は、実施例２と同じである。図１８（ｃ）のように、比較例１に係る共振器においては、Ｃｒ膜１６ｂ上に第１質量負荷膜２８が形成されており第２質量負荷膜２９は形成されていない。その他の構成は、実施例２と同じである。

図１８（ａ）の実施例２および図１８（ｂ）の比較例５の第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９の膜厚はそれぞれ５０ｎｍとした。図８（ｃ）の比較例１の第１質量負荷膜２８の膜厚は１００ｎｍとした。

図１９（ａ）から図１９（ｃ）は、実施例２、比較例５および比較例１の質量負荷膜の被覆率に対する共振特性を示した図である。図１９（ａ）は、共振周波数移動量に対する共振点のＱ値、図１９（ｂ）は、共振周波数移動量に対する反共振点のＱ値、図１９（ｃ）は、共振周波数移動量に対する機械電気結合係数ｋ^２のシミュレーション結果を示した図である。質量負荷膜の被覆率は、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９の共振領域５０内の被覆率を示している。

図１９（ａ）から図１９（ｃ）のように、実施例２では、被覆率が大きくなると、共振周波数移動量が大きくなる。共振点のＱ値、反共振点のＱ値、機械電気結合係数は、被覆率によらず一定である。一方、比較例５および比較例１では、被覆率が大きくなると、共振周波数移動量が大きくなる。しかし、共振点のＱ値、反共振点のＱ値、機械電気結合係数は、被覆率が２０〜８０％で悪くなる。このように、比較例５および比較例１においては、共振特性が劣化する。

質量負荷膜２８または２９を圧電薄膜１４の下側に設けた場合、凸凹上に圧電薄膜１４を形成することとなり、圧電薄膜１４の膜質が劣化してしまうことがある。実施例２によれば、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９を、圧電薄膜１４に対し、上側に設けることにより、圧電薄膜１４の劣化を抑制することができる。実施例２では、上部電極１６の複数の層の間に第２質量負荷膜２９を、上部電極１６上に第１質量負荷膜２８を形成したが、第１質量負荷膜２８および第２質量負荷膜２９は、上部電極１６と圧電薄膜１４との間、または周波数調整膜２４上に形成されてもよい。

実施例３は、ラティス型フィルタの例である。図２０は、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または実施例２で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、共振周波数の調整の範囲を広げるため、質量負荷膜の膜厚を大きくすると、共振特性が劣化を抑制することができる。よって、低損失で広帯域なフィルタを提供することができる。ラダー型フィルタおよびラティス方フィルタ以外のフィルタ等に実施例１の共振器を用いることもできる。

受信用フィルタと送信用フィルタとを含むデュープレクサにおいて、受信用フィルタおよび送信用フィルタの少なくとも一方を実施例１から実施例３で例示したフィルタとすることもできる。

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 第３質量負荷膜
２４ 周波数調整膜
２８ 第１質量負荷膜
２９ 第２質量負荷膜
５０ 共振領域

Claims (8)

1. 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および上部電極と、
   前記圧電薄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と、
   前記共振領域に複数の島パターンを備える第１質量負荷膜と、
   前記共振領域に前記複数の島パターンに対応する位置にそれぞれ設けられた複数の開口パターンを備える第２質量負荷膜と、
   を具備し、
   前記複数の島パターンおよび前記複数の開口パターンは周期的に設けられていることを特徴とする弾性波デバイス。
2. 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および上部電極と、
   前記圧電薄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と、
   前記共振領域に複数の島パターンを備える第１質量負荷膜と、
   前記共振領域に前記複数の島パターンに対応する位置にそれぞれ設けられた複数の開口パターンを備える第２質量負荷膜と、
   を具備し、
   前記複数の島パターンの中心と前記複数の開口パターンの中心はそれぞれ一致していることを特徴とする弾性波デバイス。
3. 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および上部電極と、
   前記圧電薄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と、
   前記共振領域に複数の島パターンを備える第１質量負荷膜と、
   前記共振領域に前記複数の島パターンに対応する位置にそれぞれ設けられた複数の開口パターンを備える第２質量負荷膜と、
   を具備し、
   前記複数の島パターンと前記複数の開口パターンは同じ形状のパターンであることを特徴とする弾性波デバイス。
4. 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および上部電極と、
   前記圧電薄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と、
   前記共振領域に複数の島パターンを備える第１質量負荷膜と、
   前記共振領域に前記複数の島パターンに対応する位置にそれぞれ設けられた複数の開口パターンを備える第２質量負荷膜と、
   を具備し、
   前記第１質量負荷膜と前記第２質量負荷膜との膜厚は同じであることを特徴とする弾性波デバイス。
5. ）
   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および上部電極と、
   前記圧電薄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と、
   前記共振領域に複数の島パターンを備える第１質量負荷膜と、
   前記共振領域に前記複数の島パターンに対応する位置にそれぞれ設けられた複数の開口パターンを備える第２質量負荷膜と、
   を具備し、
   前記第１質量負荷膜と前記第２質量負荷膜との被覆率は同じであることを特徴とする弾性波デバイス。
6. 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および上部電極と、
   前記圧電薄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と、
   前記共振領域に複数の島パターンを備える第１質量負荷膜と、
   前記共振領域に前記複数の島パターンに対応する位置にそれぞれ設けられた複数の開口パターンを備える第２質量負荷膜と、
   を具備し、
   前記第１質量負荷膜の被覆率は、前記第２質量負荷膜の非被覆率と同じであることを特徴とする弾性波デバイス。
7. 前記第１質量負荷膜および前記第２質量負荷膜は、前記圧電薄膜に対し、上側に設けられたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
8. 前記第１質量負荷膜は、前記圧電薄膜に対し上下の一方に設けられ、前記第２質量負荷膜は前記圧電薄膜に対し上下の他方に設けられたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の弾性波デバイス。

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