JP3723697B2

JP3723697B2 - 圧電共振子

Info

Publication number: JP3723697B2
Application number: JP15098199A
Authority: JP
Inventors: 耕世神垣; 健一吉村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JP2000341077A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は携帯電話、無線ＬＡＮ等に用いられる圧電共振子に関し、特に、圧電体の厚み縦振動の共振を利用した圧電共振子に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、無線通信や電気回路に用いられる周波数の高周波数化に伴い、これらの電気信号に対して用いられるフィルターも高周波数に対応したものが開発されている。特に、無線通信においては２ＧＨｚ近傍のマイクロ波が主流になりつつあり、また既に数ＧＨｚ以上の規格策定の動きもあることから、それらの周波数に対応した安価で高性能なフィルターが求められている。
【０００３】
最近注目されているのは、固体の表面を伝わる音響波である表面弾性波の共振を用いる、表面弾性波共振子（ＳＡＷＲ）を使ったフィルターである。このフィルターは、固体表面上に形成した櫛型の電極間に印加される高周波電界と表面弾性波の共振を用いており、周波数の選択性が高く、優れたバンドパスフィルターとして広く用いられている。
【０００４】
しかしながら、ＳＡＷフィルターは、その櫛型電極間距離が共振周波数に反比例するという関係にあるため、１ＧＨｚを越える周波数領域では櫛形電極間距離が１μｍ以下となり、電極作製が非常に困難であった。
【０００５】
そこで、近年、数ＧＨｚ以上の高周波化に対応するために、圧電性を示す薄膜の厚み縦振動モードを用いた共振子が提案されている。
【０００６】
これは、入力される高周波電気信号に対して、圧電薄膜が厚み縦振動を起こし、その振動が、薄膜の厚さ方向において共振を起こすことを用いた共振子であり、バルク弾性波共振子（ＢＡＷＲ）と呼ばれている。このＢＡＷＲは、ＳＡＷＲに比べて、より高い周波数の共振周波数を持つレゾネーターの作製が可能となると期待され、開発が進められてきた。
【０００７】
従来のＢＡＷＲとしては、図１０に示すように、基体１と、該基体１表面上に形成された支持膜２と、該支持膜２上に形成されたバッファー層３と、該バッファー層３上に形成された第１電極４と、該第１電極４上に形成された圧電薄膜５と、該圧電薄膜５上に形成された２つの第２電極６とからなるものである（ＵＳＰ４，３２０，３６５号公報）。支持膜２は、基体１に形成された空間Ａを被覆するように、基体１表面に支持膜２を形成することにより、第１電極４と圧電薄膜５と第２電極６とからなる振動部に接する支持膜２の部分も振動することになる。
【０００８】
また、特開平９−５５９９８号公報には、１対の電極間に複数の圧電体を一定の間隔を置いて配置し、複数の振動部を形成した圧電共振子が開示されている。この圧電共振子では、振動部と振動部との間には気体や液体が充填されており、この構造によって機械結合定数が大きくなり、実現可能な帯域が従来よりも２倍に拡大している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＵＳＰ４，３２０，３６５号公報に開示された圧電共振子では、ＺｎＯ、ＡｌＮのような比誘電率の小さい圧電体を用いているために、これらの圧電材料の電気機械結合係数が小さく、広帯域なＧＨｚ帯フィルターを実現するのは困難であった。また、ＺｎＯ、ＡｌＮは比誘電率が小さい為、マイクロ波回路で要求されるインピーダンスに整合させるために、１辺が１００μｍを越える大きな電極面積が必要であった。
【００１０】
このように、ＺｎＯ、ＡｌＮのような比誘電率の小さい圧電体を用いると、電極サイズが膜厚に比べて１００倍以上と非常に大きいために、不要振動を生じやすいという課題があった。これは、電極面積が膜厚に比べて十分大きい場合には、エネルギー閉じ込めモードの１つである面内伝播モードが存在し、無電極部分との境界で反射されて、厚み縦振動よりわずかに振動数の異なる定在波を生じ、不要振動が発生するためであった。
【００１１】
また、特開平９−５５９９８号公報に開示された圧電共振子では、振動部を分割して共振器の機械結合係数を改善しようとしているが、各振動部の周囲が空気や液体であるために自由端となり、電極間にある圧電体を構成する原子のうちで、空気や液体に接する原子が動きやすくなるので、不要な振動モードが発生してしまうという課題があった。
【００１２】
本発明の目的は、ＧＨｚ帯の高周波用フィルターを構成できるとともに、厚み縦振動モードの効果的なエネルギー閉じ込めを可能とし、主要振動以外の不要な振動を抑制してスプリアスの発生を防止でき、小型でインピーダンス特性の良好な圧電共振子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電共振子は、振動空間を有する基体と、該基体表面に前記振動空間を被覆して形成された支持膜と、該支持膜の前記振動空間と反対の面に当接され、圧電体を第１電極と第２電極とで挟持した振動体とを具備する圧電共振子であって、前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ略平行に配列した複数の長尺状電極を電気的に接続して形成され、かつ、前記第１電極の長尺状電極と前記第２電極の長尺状電極とは、前記基体側から見て交差しており、長尺状電極の幅が３〜１０μｍであることを特徴とするものである。
【００１４】
また、基体と、該基体表面に形成され、複数の絶縁体を積層してなる振動反射層と、該振動反射層の表面に形成され、圧電体を第１電極と第２電極で挟持した振動体とを具備する圧電共振子であって、前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ略平行に配列した複数の長尺状電極を電気的に接続して形成され、かつ、前記第１電極の長尺状電極と前記第２電極の長尺状電極とは、前記基体側から見て交差していることを特徴とするものである。
【００１５】
特に、圧電体が強誘電体からなることが望ましく、また、長尺状電極の幅が１０μｍ以下であることが望ましい。
【００１６】
【作用】
本発明の圧電共振子では、第１電極と第２電極とが、それぞれ略平行に配列した複数の長尺状電極で構成されており、これら第１電極と第２電極との長尺状電極は基体側から見て交差しているために、第１電極と第２電極との重なる部分が振動する領域（振動部）となり、その重なる領域の電極部分が、１つの振動部に対する電極（振動電極）となる。
【００１７】
第１電極と第２電極との重なった領域で規定される各振動部は、第１電極の振動電極、圧電体、および第２電極の振動電極からなり、電極サイズは膜厚と同程度の大きさにできるため、面内伝播モードがなくなり、無電極部分との境界で反射定在波の発生を防いで不要振動の発生を抑制することができる。これは、各振動部の圧電体の周囲が、振動部間の圧電体で固定されることになるために、従来のような自由端の時に生ずる不要な振動モードを抑制することができるからである。
【００１８】
一般に、振動体が小さくなるとインピーダンスは大きくなり、１つの振動体のインピーダンスでは、マイクロ波回路の伝送インピーダンスと整合がとれなくなる。しかし、本発明における各振動部は、振動が同期されているために、振動部数を制御することにより、使用する回路とのインピーダンス整合をとることができる。換言すれば、インピーダンス整合は、電極の総面積に起因するために、必要な面積に相当する数の振動電極を形成することで必要なインピーダンスを得ることができる。
【００１９】
また、振動部を形成する圧電体が、比誘電率の大きな強誘電体を主成分とすることで、非強誘電体に比べて、振動部の静電容量を小さな面積で実現できる。
【００２０】
特に、長尺状電極の幅を３〜１０μｍとすることにより、各振動部を１０μｍ以下と十分小さくできるので、不要振動のない共振特性を示す、広帯域フィルターとして適切な小型のＧＨｚ帯共振子を提供できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電共振子は、基体上に、支持膜、圧電薄膜、電極薄膜が形成された薄膜圧電共振子であり、図１および図２に示すように、振動空間Ａを有する基体１１と、該基体１１の表面に形成された支持膜１２と、該支持膜１２上に形成された第１電極１３と、該第１電極１３上に形成された圧電体１４と、該圧電体１４上に形成された第２電極１５とから構成されている。
【００２２】
第１電極１３は、等間隔で略平行に配列された５本の長尺状電極１６ａを有し、それらは基部電極１７ａにより電気的に連結され、櫛型形状を成している。また、第２電極１５も第１電極１３と同様の５本の長尺状電極１６ｂを基部電極１７ｂにより電気的に連結して構成されている。
【００２３】
そして、本発明の圧電共振子では、図２から明らかなように、第１電極１３の長尺状電極１６ａと第２電極１５の長尺状電極１６ｂが基体１１から見て交差しており、これらの長尺状電極１６ａ、１６ｂの重なる部分が、振動部１８とされている。振動部１８は長尺状電極１６ａ、１６ｂが交差し、重なった部分に限定されるため、定在波の種類が限定され、不要振動が発生しにくくなる。
【００２４】
基体１１は、Ｓｉのような無機物であり、強誘電体薄膜を形成できる平坦な表面を保有していれば、特に限定するものではない。基体１１の振動空間Ａは、第１電極１３と第２電極１５に印加された電圧により励振された圧電体１４の振動を基体１１に伝達しないための空間であって、基体１１に貫通孔を形成したり、図３のように基体１１の支持膜１２を形成する部分に凹状の窪み１９を形成したりすることにより作製される。
【００２５】
支持膜１２は、スパッタ法やＣＶＤ法等の方法で形成され、音速が大きく、残留応力の小さいものが望まれる。厚みは、材料の音速に依存するが、低次の圧電共振を用いるためには２μｍ以下の厚みが望ましい。
【００２６】
圧電体１４は、ゾル・ゲル法、又はセラミック・スラリーを塗布し、加熱焼成する方法、あるいはスパッタ法に代表される気相合成法等で形成することが出来る。圧電体１４の膜厚は、２μｍ以下であることが望ましい。これは、厚み縦振動により１ＧＨｚ以上の共振周波数を得るためには、第１電極１３と第２電極１５との間隔が２μｍ以下でなければならないからである。
【００２７】
第１電極１３および第２電極１５は、ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法などの気相合成法により作製した後に、成膜した電極を反応性イオンエッチング法などによって長尺状にエッチング加工して得られる。電極の膜厚は、０．０５〜０．２μｍの厚みが望ましく、特には、０．０５〜０．１μｍが好ましい。
【００２８】
長尺状電極１６ａ、１６ｂの幅は１０μｍ以下が良い。特には、７μｍ以下が望ましい。これは、１０μｍを超えると不要振動が発生しやすくなるからである。なお、第１電極１３の長尺状電極１６ａの幅が、第２電極１５の長尺状電極１６ｂの幅と異なっても、電極の幅が１０μｍ以下であれば何ら差し支えない。
【００２９】
基体１１は、シリコンやアルミナのような無機物であり、圧電体を形成できる平坦な表面を保有していれば、特に材料を限定するものではない。
【００３０】
支持膜１２としては、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ダイヤモンド、ＢＮ、Ｂ₄Ｃ、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄などが用いられる。これらの中でも音速が大きく、残留歪みの小さい高強度膜が望ましい。中でもダイヤモンドは、高強度で、高音速でかつ弾性定数の温度変化率が小さい事から特に望ましい。
【００３１】
また、ＺｎＯやＡｌＮのような強誘電体でない圧電体を用いて共振子を構成する場合、面積が大きくなり、小型な共振子を実現できないため、本発明の圧電体１４には、比誘電率の大きい強誘電体が、特にその薄膜が用いられる。
【００３２】
特に、Ｐｂ（Ｚｒ_1-XＴｉ_X）Ｏ₃のようなペロブスカイト型構造をもつ強誘電体薄膜は、大きな自発分極を保有し、大きな圧電性が得られるとともに、強誘電体でないＺｎＯ、ＡｌＮなどの圧電体に比べ比誘電率が約１００倍と大きく、インピーダンスを決定する要因の一つである電極面積を約１／１００と小さくできるため、共振子のサイズを小さくできる。
【００３３】
ペロブスカイト型構造をもつ強誘電体としては、上記Ｐｂ（Ｚｒ_1-XＴｉ_X）Ｏ₃やＰｂＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃などがある。また、ペロブスカイト構造以外の強誘電体薄膜、例えばタングステンブロンズ構造をもつＳｒ₂ＫＮｂ₅Ｏ₁₅なども使用できる。
【００３４】
強誘電体の中では、特にＰｂ（Ｚｒ_1-XＴｉ_X）Ｏ₃を基本組成としたものが好ましい。Ｐｂ（Ｚｒ_1-XＴｉ_X）Ｏ₃を基本組成としたものは、薄膜にしても大きな圧電性と比誘電率を示すからである。ＢａＴｉＯ₃やＳｒ₂ＫＮｂ₅Ｏ₁₅などの強誘電体は結晶粒のサイズが小さくなると強誘電性が減少するサイズ効果が大きく、薄膜にすると強誘電性に起因した大きな圧電性が得られ難いからである。
【００３５】
圧電体１４を挟持する第１電極１３、第２電極１５には、従来より多く用いられているＡｌ、Ａｕ等の金属材料が用いられる。圧電体１４への質量負荷が小さく圧電振動を抑制し難い事と電気抵抗率が小さく共振子のＱ値の低下が小さい事からＡｌが望ましい。
【００３６】
尚、図１〜３において、実際に共振子として使用するためには、第１電極１３、第２電極１５の基部電極１７ａ、１７ｂには取り出し用の電極を形成することは言うまでもない。
【００３７】
以上のように構成された圧電体共振子では、圧電体１４に強誘電体を用いており、電極面積を小さくできるとともに、電極の数を任意に決定できるために、総電極面積で決定されるインピーダンスも制御することができる。
【００３８】
また、各振動電極が小さく、各振動部の圧電体１４ａは振動部間の圧電体１４ｂにより周囲を固定されているために、不要振動は改善され、厚み縦振動のエネルギーを１対の振動電極間に十分に閉じ込め、使用する共振周波数、反共振周波数近傍におけるスプリアスを抑制することができる。
【００３９】
図４は本発明の他の圧電共振子の例を示すもので、この圧電共振子は、基体１１と、該基体１１の表面に形成された複数の絶縁体（３２ａ、３２ｂ）の積層体からなる振動反射層３２と、該振動反射層３２上に形成された第１電極１３と、該第１電極１３上に形成された圧電体１４と、該圧電体１４上に形成された第２電極１５とから構成されている。
【００４０】
絶縁体３２ａと３２ｂとは、音響インピーダンスの異なる２種類の材料であって、各層の厚みが、圧電体１４の厚みの約半分であればよい。これは、圧電体１４の厚み方向に、半波長の定在波が存在しており、絶縁体をこの定在波の１／４の波長に相当する厚みにして積層することによって反射をすることができるためである。このような振動反射層３２を用いると振動空間を形成することなく基体の上に、共振子を形成でき、共振子の強度を大きくすることができるとともに、製造プロセスを簡略化させ、製造コストを低減することができる。
【００４１】
そして、図１においては、振動部１８と基体１１とは、振動が伝わらないように振動空間Ａが形成されていたが、図４においては音響インピーダンスの異なる絶縁体３２ａと３２ｂとを積層して振動反射層３２を形成しており、振動は振動反射層３２で反射されて、振動部からの振動は基体に達しない。図４の構造は、図１に比べてウェットプロセスである基体の穴加工がなく、製造プロセスを簡素化できるとともに、振動部と共に振動する支持膜を省くことができるので、図１に比べて更に振動周波数を高くでき、高周波化に対応しやすくなる。
【００４２】
さらに、図５に示すように、圧電体１４は、音速の温度係数が逆符号の強誘電体からなる圧電体１４ｃ、１４ｄの２層の積層体であっても良い。音速の温度係数が逆符号の強誘電体からなる圧電体１４ｃ、１４ｄは、例えば組成相境界近傍の組成のＰｂ（Ｚｒ_1-XＴｉ_X）Ｏ₃を用いることにより実現できる。この温度係数が逆符号の強誘電体からなる圧電体１４ｃ、１４ｄを積層することにより、共振周波数の温度係数を零に近づけた共振子を実現することができる。
【００４３】
また、図６に示すように、圧電体１４は、分極の方向が互いに逆向きの強誘電体からなる圧電体１４ｅ、１４ｆの２層の積層体であっても良い。このような圧電共振子は、中間電極２０と第１電極１３及び第２電極１５の間に、強誘電体からなる圧電体１４ｅ、１４ｆの抗電界より大きい電界を印可することにより実現できる。高周波電界は第１電極１３と第２電極１５の間に印可するが、分極方向が逆向きの２層の圧電体１４ｅ、１４ｆの積層体を用いるため、第１電極１３と第２電極１５との間に１波長の定在波が発生し、高周波化を促進できる。
【００４４】
【実施例】
実施例１
まず、Ｓｉ基板の裏面に窒化珪素膜をＣＶＤ法により形成した。次に、Ｓｉ基板の表面にＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を形成した。窒化珪素膜は反応性イオンエッチング法により、ビアーホール形成用のパターニングを行った後に、ＫＯＨ溶液を用いてＳｉ基板を異方性エッチングを行い、貫通孔（振動空間）を形成した。
【００４５】
次に、マグネトロンスパッタ法を用いて、ダイヤモンド膜上に、５００℃で１００ｎｍ膜厚のＡｕからなる第１電極を形成した。
【００４６】
フォトリソグラフ法を用いて長尺状電極および基部電極を形成し、櫛型形状に加工した。次に、以下に述べるように、長尺状電極の幅が３μｍ、７μｍ、１０μｍと異なる３種類の共振器を作製した。
【００４７】
まず、幅３μｍ、長さ７０μｍの５本の長尺状電極を５μｍの間隔で配置し、基部電極で連結したもの、次に幅７μｍ、長さ８０μｍの３本の長尺状電極を１０μｍの間隔で配置し、基部電極で連結したもの、最後に幅１０μｍ、長さ１００μｍの２本の長尺状電極を１０μｍの間隔で配置し、基部電極で連結したものをそれぞれ作製した。
【００４８】
その上に、ゾルゲル法により１μｍ膜厚のＰｂＺｒ_0.53Ｔｉ_0.47Ｏ₃薄膜を形成した。この圧電体は以下のようにして作製した。まず、１Ｍ濃度の塗布溶液をスピンコート法によりＳｉ基板の第１電極上に成膜乾燥し、熱処理（４２０℃、１分間）と成膜を１０回繰り返した後、６５０℃で３０分間結晶化処理を施し、１μｍ膜厚の強誘電体薄膜を得た。次に、フォトリソグラフ法とエッチングにより強誘電体膜の不要部分を除去して、基部電極を露出した。
【００４９】
最後に、第２電極を作製した。膜厚１００ｎｍのＰｔ電極膜をスパッタ法により５００℃で形成した。リフトオフ法を用いて櫛型形状に加工した。長尺状電極の形状は第１電極と同じであるが、長尺状電極の数は以下のようにした。幅３、７、１０μｍの長尺状電極の数をそれぞれ５本、２本、２本とした。各長尺状電極の方向は第１電極の長尺状電極と直交するように形成することにより図１および図２に示した圧電共振子を作製した。
【００５０】
次に、それについてＲＦインピーダンスアナライザ（ＨＰ４２９１Ａ）とＲＦプローブを用いて、２０Ｖの直流電圧を１０秒間電極間に印可し、圧電体を分極処理した。
【００５１】
次に、インピーダンス測定による圧電共振特性評価を行ったところ、同様なインピーダンス特性を示した。代表として長尺状電極幅７μｍの場合を図７に示す。この図から、１．４ＧＨｚ〜１．５ＧＨｚにおいて、インピーダンスが極小となる共振ピークと、極大となる反共振ピークが観測された。
【００５２】
図７において、他のスプリアス振動に起因するピークは観測されず、単一モードの振動のみが得られた。また、長尺状電極幅３、１０μｍのピークも同様であった。
【００５３】
実施例２
まず、Ｓｉ基板表面にスパッタ法により音響インピーダンスの大きいタングステン膜と音響インピーダンスの小さい酸化珪素膜とをそれぞれ交互に５層（約０．５μｍ）ずつ形成し、振動反射層（１／４波長反射器）を形成した。次に、振動反射層の表面に、実施例１と同様に、第１電極、圧電体、第２電極を形成し、図４に示した圧電共振子を作製した。なお、第１電極、第２電極とも長尺状電極の寸法は、幅７μｍ、長さ７０μｍであった。
【００５４】
実施例１と同様に、２０Ｖの直流電圧を１０秒間電極間に印可して、圧電体を分極処理し、インピーダンス測定による圧電共振特性評価を行った。
【００５５】
図８に、インピーダンス特性を示す。１．４ＧＨｚ〜１．５ＧＨｚにおいて、インピーダンスが極小となる共振ピークと、極大となる反共振ピークが観測された。他のスプリアス振動に起因するピークは観測されず、単一モードの振動のみが得られた。
【００５６】
比較例
実施例１で作製した共振子と、作製方法、評価方法は同じであるが、上部電極、下部電極の形状を櫛型形状ではなく、通常の一辺が１５μｍの正方形からなる第１、第２電極を有する圧電共振子を作製した。
【００５７】
図９に、インピーダンス特性を示す。共振、反共振ピークの間にスプリアス振動に起因したピークが観測された。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の圧電共振子では、第１、第２電極を、それぞれ略平行に配列した複数の長尺状電極を電気的に接続して構成するとともに、第１電極の長尺状電極と第２電極の長尺状電極とを、基体側から見て交差させたので、電極の重なった部位のみで振動し、圧電体の厚みと電極サイズを同程度にすることができ、これにより、不要な振動の発生を抑制することができ、不要振動のない小型の共振子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電共振子の断面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】本発明の圧電共振子の他の例を示す断面図である。
【図４】振動反射層を有する本発明の圧電共振子を示す断面図である。
【図５】音速の温度係数の符号が互いに逆符号である２層の強誘電体を有する本発明の圧電共振子の断面図である。
【図６】分極の向きが互いに逆方向である２層の強誘電体を有する本発明の圧電共振子の断面図である。
【図７】実施例１の長尺状電極幅が７μｍの圧電共振子のインピーダンス特性を示す図である。
【図８】実施例２の圧電共振子のインピーダンス特性を示す図である。
【図９】比較例の圧電共振子のインピーダンス特性を示す図である。。
【図１０】従来の圧電共振子の構造の断面図である。
【符号の説明】
１１・・・基体
１２・・・支持膜
１３・・・第１電極
１４・・・圧電体
１５・・・第２電極
１６ａ、１６ｂ・・・長尺状電極
１８・・・振動部
３２ａ、３２ｂ・・・絶縁体
３２・・・振動反射層
Ａ・・振動空間

Claims

振動空間を有する基体と、該基体の表面に前記振動空間を被覆して形成された支持膜と、該支持膜の前記振動空間と反対の面に当接され、圧電体を第１電極と第２電極とで挟持した振動体とを具備する圧電共振子であって、前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ略平行に配列した複数の長尺状電極を電気的に接続して形成され、かつ、前記第１電極の長尺状電極と前記第２電極の長尺状電極とは、前記基体側から見て交差しており、長尺状電極の幅が３〜１０μｍであることを特徴とする圧電共振子。
基体と、該基体表面に形成され、複数の絶縁体を積層してなる振動反射層と、該振動反射層の表面に形成され、圧電体を第１電極と第２電極で挟持した振動体とを具備する圧電共振子であって、前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ略平行に配列した複数の長尺状電極を電気的に接続して形成され、かつ、前記第１電極の長尺状電極と前記第２電極の長尺状電極とは、前記基体側から見て交差しており、長尺状電極の幅が３〜１０μｍであることを特徴とする圧電共振子。
圧電体が強誘電体からなることを特徴とする請求項１または２記載の圧電共振子。