JP4055885B2

JP4055885B2 - 圧電薄膜振動素子、及びこれを用いたフィルタ

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Publication number: JP4055885B2
Application number: JP2001331552A
Authority: JP
Inventors: 秀典阿部; 久俊斉藤; 隆男野口; 善就山下
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2001-10-29
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2021-10-29
Also published as: JP2003133892A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電薄膜振動素子、及びこれを用いたフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、世界共通の携帯電話を実現するため、ＩＭＴ２０００システム等の導入が検討されている。このシステムにおいては、利便性を向上させるために、従来以上の小型化が要求され、このシステムに用いられる発振素子やフィルタにも、小型化が強く要求される。
【０００３】
現在、発振素子としては、ＳＡＷデバイス、水晶や圧電セラミックからなる振動子の逓倍素子等が利用され、フィルタとしては、発振素子を複数組合せたものが利用されている。
【０００４】
この発振素子やフィルタを小型化するための手段として、圧電薄膜振動素子が注目されている。例えば、Electronics Letters 17巻(1981) 507-508ページには、Ｓｉ基板上にＳｉＯ₂からなる厚み２１．５μｍのダイアフラムを形成し、その上に下部励振電極及び厚み４．５μｍのＺｎＯ圧電薄膜を形成し、さらに上部励振電極を配置して構成された圧電薄膜振動素子が開示されている。この従来の圧電薄膜振動素子は、厚み方向の基本モードの縦波を共振させることが可能であり、共振波長はダイアフラムの厚みの２倍となる。このため、ダイアフラムの厚みを薄くすれば、共振周波数が増大し、例えば、厚み約１μｍで約２ＧＨｚとなる。
【０００５】
この圧電薄膜振動素子は、▲１▼機械振動を利用しているため、インピーダンス特性が急峻であり、▲２▼共振周波数を決めるダイアフラムの厚みが、０．５〜５μｍ程度であるため、高周波化が容易であり、▲３▼電極の１辺長が、厚みの１０倍から２００倍程度であるため、小型化が図れ、▲４▼入力電力に対する電力耐性が大きいため、回路設計が容易になる等の特徴がある。また、電気機械結合係数が大きな圧電薄膜からなる超広帯域な圧電薄膜振動素子を利用することにより、小型で、周波数可変幅が広く、位相雑音の低いＶＣＯ回路の実現も期待されている。
【０００６】
ところが、上述した従来の圧電薄膜振動素子は、上述したElectronics Letters 17巻(1981) 507-508ページ第２図ｂに開示されているように、インピーダンス特性に数個のスプリアスが現われる。
【０００７】
このスプリアスは、その強度が大きいほど、圧電薄膜振動素子の振幅特性及び位相特性が悪くなる。このため、従来の圧電薄膜振動素子は、発振特性において、いわゆる周波数とびが生じる等の問題があった。また、従来の圧電薄膜振動素子を組み合わせて得られるフィルタは、圧電薄膜振動素子の振幅特性及び位相特性が悪いので、位相特性や群遅延特性に大きなリップルが生じたり、大きな挿入損失が生じるという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減することにより、インピーダンスの振幅特性を向上できる圧電薄膜振動素子を提供することである。
【０００９】
本発明のもう１つの課題は、インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減することにより、インピーダンスの位相特性を向上できる圧電薄膜振動素子を提供することである。
【００１０】
本発明の更にもう１つの課題は、インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減できる圧電薄膜振動素子を用いることにより、挿入損失を低減できるフィルタを提供することである。
【００１１】
本発明の更にもう１つの課題は、インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減できる圧電薄膜振動素子を用いることにより、位相特性のリップルを低減できるフィルタを提供することである。
【００１２】
本発明の更にもう１つの課題は、インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減できる圧電薄膜振動素子を用いることにより、群遅延特性のリップルを低減できるフィルタを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明は３つの態様に係る圧電薄膜振動素子を開示する。本発明の第１の態様に係る圧電薄膜振動素子は、圧電薄膜と、上部励振電極と、下部励振電極とを含む。
【００１４】
下部励振電極は、圧電薄膜の厚み方向の一方の主面に設けられている。上部励振電極は、下部励振電極に対向して、圧電薄膜の厚み方向の他方の主面に設けられており、長軸径の長さａと、短軸径の長さｂとの比、ａ／ｂが、１．９＜ａ／ｂ＜５．０となる楕円形である。
【００１５】
上述したように、本発明に係る圧電薄膜振動素子において、下部励振電極は、圧電薄膜の厚み方向の一方の主面に設けられ、上部励振電極は、下部励振電極に対向して、圧電薄膜の厚み方向の他方の主面に設けられている。このため、本発明に係る圧電薄膜振動素子は、上部励振電極と下部励振電極との間に与えられた電圧により、厚み縦振動の基本波を主振動とする振動をすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る圧電薄膜振動素子において、上部励振電極は、長軸径の長さａと、短軸径の長さｂとの比、ａ／ｂが、１．９＜ａ／ｂ＜５．０となる楕円形である。このため、主振動に起因したインハーモニックモードのスプリアスが現われた場合であっても、このスプリアスの強度を効果的に低減できる。
【００１７】
また、本発明に係る圧電薄膜振動素子は、スプリアスの強度を低減することにより、インピーダンスの振幅特性を向上できる。また、スプリアスの強度を低減することにより、インピーダンスの位相特性を向上できる。
【００１８】
また、本発明に係る圧電薄膜振動素子は、圧電素子が圧電薄膜からなるので、薄型化及び小型化が図れる。
【００１９】
また、本発明の第２の態様に係る圧電薄膜振動素子において、上部励振電極は、下部励振電極に対向して、圧電薄膜の厚み方向の他方の主面に設けられ、第１の辺と、第２の辺と、第１の弧状縁部と、第２の弧状縁部とを含む。
【００２０】
第１の辺及び第２の辺は、互いに平行である。第１の弧状縁部及び第２の弧状縁部は、第１の辺及び第２の辺の対向する端部に連なっている。第１の辺又は第２の辺の長さｃと、第１の辺と第２の辺との間の距離ｄとの比、ｃ／ｄは、０．３＜ｃ／ｄ＜５．０である。
【００２１】
このため、厚み縦振動の基本波を主振動に起因したインハーモニックモードのスプリアスが現われた場合であっても、このスプリアスの強度を効果的に低減できる。
【００２２】
また、本発明の第３の態様に係る圧電薄膜振動素子において、上部励振電極の面積は、その面積を変えずに形状を正方形とし、共振周波数をｆｒとし、反共振周波数をｆａとしたとき、圧電薄膜振動素子の電気的共振特性におけるｆｒ〜（２ｆａ−ｆｒ）の周波数範囲に、スプリアスが５個以上発生するように選定されている。このため、上部励振電極の面積が大きくなるので、スプリアスの数が増加し、スプリアスの強度が効果的に低減する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る圧電薄膜振動素子の一実施例を示す正面断面図、図２は図１に示した圧電薄膜振動素子の平面断面図、図３は図２の部分拡大図である。図において、圧電薄膜振動素子は、上部励振電極１１と、下部励振電極２１と、圧電薄膜４１と、ダイアフラム５０と、バッファ層６１と、パッケージ６６とを含む。
【００２４】
圧電薄膜４１は、窒化アルミニウムＡｌＮからなり、主面が４角形であり、厚みが１．９６μｍである。圧電薄膜４１の厚み方向はｚ軸に沿っている。圧電薄膜４１の主面の辺は、ｘ軸、ｙ軸に沿っており、圧電薄膜４１のａ軸方向は、ｘ軸に沿っている。
【００２５】
この圧電薄膜４１は、厚み方向に配向又はエピタキシャル成長させることにより形成され、厚み方向にｃ軸を持ち、対称性は六方晶系に属し、点群は６ｍｍである。更に具体的には、この圧電薄膜４１は、（００２）面に関するＸ線２結晶法から得られたロッキングカーブの半値全幅が、１．２°程度である。
【００２６】
また、圧電薄膜としては、酸化亜鉛ＺｎＯ、チタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴ、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ₃、ニオブ酸カリウムＫＮｂＯ₃、ビスマス系酸化物（例えば、ビスマスＢｉ₄Ｔｉ₁₃Ｏ₁₂やＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉）、Ｂａ系酸化物（例えば、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃）等を用いてもよい。チタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴ、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ₃、ニオブ酸カリウムＫＮｂＯ₃、ビスマス系酸化物（例えば、ビスマスＢｉ₄Ｔｉ1₃Ｏ₁₂やＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉）、Ｂａ系酸化物（例えば、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃）等の強誘電体を用いる場合には、圧電薄膜４１の厚み方向に分極させることが好ましい。
【００２７】
下部励振電極２１は、白金Ｐｔからなる４角形の電極であり、各辺がｘ軸、ｙ軸に沿っており、圧電薄膜４１の厚み方向の一方の主面に設けられており、上部励振電極１１よりも面積が大きい。
【００２８】
上部励振電極１１は、アルミニウムＡｌからなる厚み３００ｎｍの電極であり、下部励振電極２１に対向して、圧電薄膜４１の厚み方向の他方の主面に設けられている。この上部励振電極１１は、長軸径の長さａと、短軸径の長さｂとの比、ａ／ｂが、１．９＜ａ／ｂ＜５．０となる楕円形である。更に具体的には、長軸径の長さａが２６０μｍ、短軸径の長さｂが１２０μｍである。
【００２９】
この長軸は、ｘ軸から１０°〜８０°の角度で傾斜するように配置されている。更に具体的には、長軸は、ｘ軸から６０°の角度で傾斜するように配置されている。
【００３０】
ダイアフラム５０は、Ｓｉ半導体基板５１からなる。Ｓｉ半導体基板５１の（１００）方向は、ｘ軸方向に沿っている。このＳｉ半導体基板５１は、主面に直交する端面がｘ軸、ｙ軸に沿っている。Ｓｉ半導体基板５１の一方の主面には、バッファ層６１を介して下部励振電極２１が設けられている。このバッファ層６１は、好ましくは、酸化ジルコニウム又はチタン酸バリウムを含む。
【００３１】
Ｓｉ半導体基板５１の他方の主面には、下部励振電極２１に対向して、凹部５２が設けられている。凹部５２の最底面５３は、４角形であり、４角形の各辺がｘ軸、ｙ軸に沿っている。この最底面５３の面積は、上部励振電極１１の面積よりも大きく、下部励振電極２１の面積よりも小さい。この凹部５２により、Ｓｉ半導体基板５１の一方の主面と最底面５３との間に約０．２μｍの薄膜が形成され、この薄膜がダイアフラムの振動面となる。
【００３２】
また、凹部５２を設ける代わりに、圧電薄膜４１とＳｉ半導体基板５１との間に音響多層膜を設けてもよい。また、凹部５２を設ける代わりに、圧電薄膜４１とＳｉ半導体基板５１との間に空隙を設けてもよい。
【００３３】
パッケージ６６は、ケース６３と、上蓋６４と、下蓋６５と、接着剤６２とを含む。Ｓｉ半導体基板５１は、接着剤６２で下蓋６５に固着される。この接着剤６２は、いわゆるダイボンド剤、例えば、エポキシ樹脂を用いることが好ましい。上部励振電極１１、下部励振電極２１、圧電薄膜４１、ダイアフラム５０及びバッファ層６１は、パッケージ６６に収納される。
【００３４】
そして、上部励振電極１１は、引出し電極３１、ボンデイングパッド３２、リード３３を介して、パッケージ６６の外部に引き出され、下部励振電極２１は、引出し電極３５、ボンデイングパッド３６、リード３７を介して、パッケージ６６の外部に引き出される。引出し電極３１、ボンデイングパッド３２の寸法は、４０μｍ×５０μｍ、１５０μｍ×１５０μｍである。
【００３５】
本実施例に係る圧電薄膜振動素子は、例えば、以下の工程により製造できる。まず、（１００）面を持つＳｉ半導体基板５１上にバッファ層６１を形成する。バッファ層６１の上面には、白金Ｐｔの薄膜を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術を用いて、この薄膜を処理し、下部励振電極２１、引き出し電極３５、ボンデイングパッド３６を形成する。
【００３６】
次に、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて、下部励振電極２１、引き出し電極３５上に、圧電薄膜４１を形成する。圧電薄膜４１上には、アルミニウムＡｌの薄膜を蒸着し、フォトリソグラフィー技術を用いて、この薄膜を処理し、上部励振電極１１、引出し電極３１、ボンデイングパッド３２を形成する。
【００３７】
次に、Ｓｉ半導体基板５１の圧電薄膜４１を形成していない面からアルカリエッチャントを用いて、凹部５２を形成する。そして、Ｓｉ半導体基板５１をダイシング装置で所定の大きさに切断し、接着剤６２を用いて下蓋６５に接着する。最後に、下蓋６５をケース６３に接着し、引出し電極３１、３５、ボンデイングパッド３２、３６、リード３３、３７を介して、上部励振電極１１、下部励振電極２１をパッケージ６６の外部に引き出し、ケース６３に上蓋６４を接着して封止する。
【００３８】
上述した本実施例に係る圧電薄膜振動素子は、上部励振電極を簡素化することにより、理論解析を行うことができる。図４乃至図６は、図１に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極１１を簡素化した圧電薄膜振動素子の部分拡大平面図であり、上部励振電極の形状のみが図１に示した圧電薄膜振動素子と異なる。
【００３９】
図４に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極１２１は、一辺が２５０μｍの正方形であり、図５に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極１２２は、一辺が２００μｍの正方形であり、図６に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極１２３は、一辺が１７０μｍの正方形である。
【００４０】
図７は、図４に示した圧電薄膜振動素子の電気的共振特性の測定値を示す図であり、図８は図７の部分拡大図である。図４乃至図６に示した圧電薄膜振動素子は、同様のインピーダンス特性を有するので、図５、図６に示した圧電薄膜振動素子の電気的共振特性の図示は省略する。
【００４１】
図７、図８に示すように、図４に示した圧電薄膜振動素子のインピーダンス特性には、共振周波数をｆｒとし、反共振周波数をｆａとしたとき、周波数ｆｒから周波数２ｆａ−ｆｒの周波数範囲に、１８個程度のスプリアスが現われる。そして、反共振周波数ｆａ近傍においては、大きな強度のスプリアスが現われる。ここで、スプリアスの強度とは、スプリアスピークの中点を結ぶ仮想線からのずれ量ｘ１（図８参照）とする。図５、図６に示した圧電薄膜振動素子のインピーダンス特性は、図４に示した圧電薄膜振動素子のインピーダンス特性と比較して、スプリアスの個数が若干減り、その強度は若干強くなるが、類似の共振特性となる。
【００４２】
そして、図４乃至図６に示した圧電薄膜振動素子のインピーダンス特性から、弾性定数Ｃ₄₄ ^Eは、計算上のパラメータとして、測定したスプリアス周波数位置に計算値が合うように決めることができる。また、圧電薄膜４１の材料定数について、誘電率ε₃₃は低周波域でのインピーダンスから求め、弾性定数Ｃ₃₃ ^Eは共振周波数ｆｒから求め、圧電定数ｅ₃₃は共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの差ｆｒ−ｆａから浮遊容量を考慮してを求めることができる。
【００４３】
上記定数を用いて、厚み縦振動の基本波を主振動とするインハーモニックモード周波数の電極寸法依存性を計算すると、分散曲線の傾き及びポアソン比は、それぞれ０．４９及び０．３５であった。
【００４４】
この結果、測定値と計算値の周波数位置が良く一致することから、圧電薄膜振動素子の振動は厚み縦振動の基本波を主振動とするものであり、スプリアスは、この主振動に起因したインハーモニックモードであると同定できる。
【００４５】
このインハーモニックモードの周波数ωｎは、下記式によって近似される。
(ωｎｈ)²＝[Ｃ₅₅ ^D(ｋ₁ｈ)²＋Ｃ₄₄ ^D(ｋ₂ｈ)²＋Ｃ₃₃ ^D(ｋ₃ｈ)²]／ρ （１）
ここで、ρは、圧電薄膜４１の密度であり、ｈは電極の厚みである。ｋ₁、ｋ₂は、ｘ軸、ｙ軸に沿った波数であり、電極端の境界条件と電極の面内寸法と分散曲線の傾きから決められる整数ｎで指定される離散的な値となる。ｋ₃は、ｚ軸に沿った波数であり、ｋ₃ｈが電極領域における規格化遮断周波数となる。
【００４６】
例えば、図７に示した１８個のスプリアスの周波数位置は、（１）式において整数ｎ＝１〜１８とした周波数ωｎとなる。この（１）式に示したインハーモニックモードの周波数ωｎは、ｘ軸、ｙ軸に沿った波数ｋ₁、ｋ₂だけでなく、ｚ軸に沿った波数ｋ₃にも大きく依存する。
【００４７】
ところで、本発明者らの検討によると、上部励振電極１１の面積を大きくした場合には、上述したインハーモニックモードが多く出現し、インハーモニックモードの励振強度が小さくなり、スプリアスの個数が増加し、スプリアス強度が低下することが分かった。
【００４８】
スプリアスの強度は、圧電薄膜振動子の共振特性評価に密接に関連する。そこで、スプリアス強度に関係する上部励振電極の面積をいかに選定するかが問題となる。本発明では、上部励振電極の面積は、次のように選定する。
【００４９】
まず、上部励振電極の面積を変えずに、上部励振電極の形状を正方形にし、圧電薄膜振動素子の電気的共振特性を測定する。次に、共振周波数をｆｒとし、反共振周波数をｆａとしたとき、電気的共振特性におけるｆｒ〜（２ｆａ−ｆｒ）の周波数範囲に発生するスプリアスの個数を測定する。そして、発生するスプリアスの個数が５個以上となるように、上部励振電極の面積を選定する。
【００５０】
上部励振電極の面積を、このように選定することにより、上部励振電極の面積が大きくなるので、スプリアスの数が増加し、スプリアスの強度が低減する。
【００５１】
更なる本発明者らの検討によると、スプリアス強度は、上部励振電極の面積がある値以内にあるうちは、上部励振電極の形状に依存するが、上部励振電極の面積が、ある値を超えて大きくなると、上部励振電極の形状に殆ど依存しなくなることも明らかになった。
【００５２】
例えば、上部励振電極の面積を、上記方法により測定したスプリアスが５個以上、５０個以下となるような値に選定した場合には、スプリアス強度が、上部励振電極の形状に依存する。この場合には、上部励振電極の形状を、図３に示した上部励振電極１１（楕円形状）や、図１３に示した上部励振電極１３（以下、スタジアム形状という。）にすることができる。
【００５３】
また、上部励振電極の面積を、上記方法により測定したスプリアスが、５０個よりも多くなるように選定した場合には、上部励振電極の面積が十分に大きいので、スプリアス強度が、上部励振電極の形状に依存しなくなる。この場合には、任意の形状、例えば、楕円形状、スタジアム形状、正方形等の上部励振電極を用いことができる。
【００５４】
図９は、図１に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極１１の形状のみを変化させた場合の、インピーダンスの振幅特性におけるスプリアス強度を示す図である。ここで、上部励振電極１１は、電極面積を４×１０^-8ｍ²に維持し、楕円の長軸径の長さａと短軸径の長さｂの比ａ／ｂを変化させた。
【００５５】
図９から、長軸径の長さａと短軸径の長さｂとの比ａ／ｂは、スプリアス強度に相関があることが認められ、スプリアス強度を実用上要求される値である０．５ｄＢ以下にするためには、比ａ／ｂを１．９＜ａ／ｂ＜５．０とすることが有効であることがわかる。
【００５６】
ところで、本発明者らの更なる検討により、圧電薄膜振動素子においては、インハーモニックモード周波数の規則性と異なるスプリアスも発生することが明らかになった。そして、この規則性が異なるスプリアスは、最底面５３を圧電薄膜４１の他方の主面に投影した領域の内部であって、上部励振電極１１が形成された領域の外部に、吸音材を塗布することにより、その強度が低減することが確認された。したがって、このスプリアスは、上部励振電極１１の外側に漏れた波が最底面５３の辺で反射されて生じたスプリアスであることがわかった。
【００５７】
このため、上部励振電極１１の長軸を、ｘ軸又はｙ軸から傾けて配置することにより、規則性が異なるスプリアスの強度を低減できた。ここで、ｘ軸又はｙ軸から傾けて配置するとは、上部励振電極１１の長軸を、圧電薄膜４１の主面の辺、下部励振電極２１の辺、Ｓｉ半導体基板５１の主面に直交する端面、又は、最底面５３の辺から傾けて配置することをいう。また、この角度は、１０°〜８０°にすることが好ましい。また、この角度は、３０°又は６０°にすることが、更に好ましい。
【００５８】
また、上述したダイアフラム５０に音響多層膜や空隙を利用する場合は、上部励振電極１１の長軸を圧電薄膜４１の主面の辺、下部励振電極２１の辺、Ｓｉ半導体基板５１の主面に直交する端面、又は、空隙の端面から傾けて配置することにより同様の効果が得られる。
【００５９】
また、本発明者らの更なる検討により、圧電薄膜の結晶性を劣化させると、スプリアスの個数が減少するという特徴が発見された。結晶性が劣化した圧電薄膜、例えば、圧電薄膜の（００２）面に関するＸ線２結晶法から得られたロッキングカーブの半値全幅が、４°程度である圧電薄膜を用いた場合には、数個のスプリアスしか現われなかった。
【００６０】
この劣化した圧電薄膜を用いた場合に、スプリアスの個数が減少した理由は、結晶性が悪い場合には厚み縦振動が伝搬する際の伝搬損失が大きく、圧電薄膜と電極面積から決定されるスプリアスの強度が減衰し、インピーダンス特性にスプリアスが現われにくくなったためであると説明できる。
【００６１】
図１０は、図１に示した圧電薄膜振動素子の電気的共振特性の測定値を示す図である。この図１に示した圧電薄膜振動素子は、上部励振電極１１の面積を２．４５×１０^-8ｍ²とし、ａ／ｂを２．２とし、長軸とｘ軸との角度を６０°にしたものである。図１０において、インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度が十分に低減していることが認められる。
【００６２】
本実施例に係る圧電薄膜振動素子において、下部励振電極２１は、圧電薄膜４１の厚み方向の一方の主面に設けられ、上部励振電極１１は、下部励振電極２１に対向して、圧電薄膜４１の厚み方向の他方の主面に設けられている。このため、本実施例に係る圧電薄膜振動素子は、上部励振電極１１と下部励振電極２１との間に与えられた電圧により、厚み縦振動の基本波を主振動とする振動をすることができる。
【００６３】
また、本実施例に係る圧電薄膜振動素子において、上部励振電極１１は、長軸径の長さａと、短軸径の長さｂとの比、ａ／ｂが、１．９＜ａ／ｂ＜５．０となる楕円形である。このため、主振動に起因したインハーモニックモードのスプリアスが現われた場合であっても、このスプリアスの強度を効果的に低減できる。
【００６４】
また、本発明に係る圧電薄膜振動素子は、スプリアスの強度を低減することにより、インピーダンスの振幅特性を向上できる。また、スプリアスの強度を低減することにより、インピーダンスの位相特性を向上できる。
【００６５】
また、本実施例に係る圧電薄膜振動素子において、上部励振電極１１の面積は、その面積を変えずに形状を正方形とし、共振周波数をｆｒとし、反共振周波数をｆａとしたとき、圧電薄膜振動素子の電気的共振特性におけるｆｒ〜（２ｆａ−ｆｒ）の周波数範囲に、スプリアスが５個以上発生するように選定されている。このため、上部励振電極１１の面積が大きくなるので、スプリアスの数が増加し、スプリアスの強度が効果的に低減する。
【００６６】
また、本実施例に係る圧電薄膜振動素子は、圧電素子が圧電薄膜４１からなるので、薄型化及び小型化が図れる。
【００６７】
また、本実施例に係る圧電薄膜振動素子のダイアフラム５０は、凹部５２の深さを調節することにより、膜厚を決定できる。このため、ダイアフラム５０の膜厚を０〜５μｍ程度にすることにより、高周波、例えば数ＧＨｚ帯の周波数で励振される圧電薄膜振動素子を構成できる。
【００６８】
また、本実施例に係る圧電薄膜振動素子は、ダイアフラム５０の膜厚の分だけ、機械的強度が高まる。
【００６９】
また、本実施例に係る圧電薄膜振動素子は、厚み方向に配向又はエピタキシャル成長させることにより形成された圧電薄膜４１を用いているので、結晶性が高い。このため、厚み縦振動が伝搬する際の伝搬損失が小さくなる。
【００７０】
また、本実施例に係る圧電薄膜振動素子は、上部励振電極１１の面積が下部励振電極２１よりも小さいので、エネルギー閉じ込め振動子が形成される。また、凹部５２の面積が上部励振電極１１より大きく、下部励振電極２１よりも小さいので、エネルギーの閉じ込めが更に顕著になる。
【００７１】
また、本実施例に係る圧電薄膜振動素子は、上部励振電極１１の長軸を、ｘ軸又はｙ軸から傾けて配置することにより、インハーモニックモード周波数の規則性と異なるスプリアスの強度を低減できる。
【００７２】
また、上述したダイアフラム５０に音響多層膜や空隙を利用する場合であっても、上部励振電極を本実施例の上部励振電極１１と同様の構成にすることにより、本実施例の圧電薄膜振動素子と同様の作用効果を奏することができる。
【００７３】
図１１は、本発明に係る圧電薄膜振動素子の別の実施例を示す正面断面図、図１２は図１１に示した圧電薄膜振動素子の平面断面図、図１３は図１２の部分拡大図である。図１１に示した圧電薄膜振動素子は、上部励振電極の形状及び材質、ダイアフラム５０の膜厚、及びボンデイングパッド３２の寸法のみが、図１に示した圧電薄膜振動素子と異なる。
【００７４】
図１１に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極１３は、金Ａｕからなる厚み１００ｎｍの電極であり、下部励振電極２１に対向して、圧電薄膜４１の厚み方向の他方の主面に設けられている。この上部励振電極１３は、第１の辺１５１と、第２の辺１５２と、第１の弧状縁部１５３と、第２の弧状縁部１５４とを含み、下部励振電極２１よりも面積が小さい。
【００７５】
第１の辺１５１及び第２の辺１５２は、互いに平行であり、同一の長さを有する。第１の弧状縁部１５３及び第２の弧状縁部１５４は、第１の辺１５１及び第２の辺１５２の対向する端部に連なっている。第１の辺１５１又は第２の辺１５２の長さｃと、第１の辺１５１と第２の辺１５２との間の距離ｄとの比、ｃ／ｄは、０．３＜ｃ／ｄ＜５．０である。
【００７６】
また、更に具体的には、第１の辺１５１又は第２の辺１５２の長さｃが２６０μｍ、第１の辺１５１と第２の辺１５２との間の距離ｄが２４０μｍである。
【００７７】
第１の弧状縁部１５３及び第２の弧状縁部１５４は、円弧であることが好ましい。また、更に具体的には、この第１の弧状縁部１５３及び第２の弧状縁部１５４は、直径２４０μｍの半円弧である。
【００７８】
そして、この上部励振電極１３は、第１の辺１５１又は第２の辺１５２がｘ軸から１０°〜８０°の角度で傾斜するように配置されている。更に具体的には、第１の辺１５１又は第２の辺１５２がｘ軸から３０°の角度で傾斜するように配置されている。
【００７９】
ダイアフラム５０は、凹部５２により、Ｓｉ半導体基板５１の一方の主面と最底面５３との間に約０．１μｍの薄膜が形成されている。ボンデイングパッド３２の寸法は、２００μｍ×２００μｍである。
【００８０】
図１４は、図１１に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極１３の形状のみを変化させた場合の、インピーダンスの振幅特性におけるスプリアス強度を示す図である。ここで、上部励振電極１３は、第１の辺１５１又は第２の辺１５２の長さｃと、第１の辺１５１と第２の辺１５２との間の距離ｄとの比、ｃ／ｄを変化させた。
【００８１】
図１４から、比ｃ／ｄは、スプリアス強度に相関があることが認められ、スプリアス強度を実用上要求される値である０．５ｄＢ以下にするためには、比ｃ／ｄを０．３＜ｃ／ｄ＜５．０とすることが有効であることがわかる。
【００８２】
図１５は、図１１に示した圧電薄膜振動素子の電気的共振特性の測定値を示す図である。この図１１に示した圧電薄膜振動素子は、上部励振電極１３の面積を１０．８×１０^-8ｍ²とし、比ｃ／ｄを１．１とし、第１の辺１５１又は第２の辺１５２とｘ軸との角度を３０°にしたものである。図１５において、インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度が十分に低減していることが認められる。
【００８３】
本実施例に係る圧電薄膜振動素子の上部励振電極１３は、下部励振電極２１に対向して、圧電薄膜４１の厚み方向の他方の主面に設けられ、第１の辺１５１と、第２の辺１５２と、第１の弧状縁部１５３と、第２の弧状縁部１５４とを含む。このため、厚み縦振動の基本波を主振動に起因したインハーモニックモードのスプリアスが現われた場合であっても、このスプリアスの強度を効果的に低減できる。
【００８４】
また、本実施例に係る圧電薄膜振動素子は、上部励振電極１３の第１の辺１５１又は第２の辺１５２を、ｘ軸又はｙ軸から傾けて配置することにより、インハーモニックモード周波数の規則性と異なるスプリアスの強度を低減できる。
【００８５】
また、本実施例に係る圧電薄膜振動素子は、図１に示した圧電薄膜振動素子と同様の構成を有するので、同様の作用効果を奏することができる。
【００８６】
図１６は、本発明に係る圧電薄膜振動素子の更に別の実施例を示す部分拡大平面図である。図１６に示した圧電薄膜振動素子は、上部励振電極の形状のみが、図１１に示した圧電薄膜振動素子と異なる。
【００８７】
図１６に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極１４は、第１の辺１５１と、第２の辺１５２と、第１の弧状縁部１５７と、第２の弧状縁部１５８とを含む。第１の弧状縁部１５７、第２の弧状縁部１５８は、第１の辺１５１及び第２の辺１５２の対向する端部に連なっている。そして、第１の弧状縁部１５７、第２の弧状縁部１５８の曲率中心Ｑは、第１の辺１５１と第２の辺１５２との間の距離ｄの中点を通り、第１の辺１５１又は第２の辺１５２に平行な直線上にある。
【００８８】
本実施例に係る圧電薄膜振動素子は、図１１に示した圧電薄膜振動素子と同様の構成を有するので、同様の作用効果を奏する
図１７は、本発明に係るフィルタの一実施例を示す回路図であり、図１８は、図１７に示したフィルタの挿入損失の測定値を示す図である。図１７において、本実施例に係るフィルタは、入力端子Ｖｉｎ１、Ｖｉｎ２と、出力端子Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２と、複数の圧電薄膜振動素子８１、８２、８３、８４、８５を含む。
【００８９】
圧電薄膜振動素子８１、８２、８３は、図１に示した圧電薄膜振動素子である。圧電薄膜振動素子８４、８５は、上部励振電極の材質及び厚みのみが図１１に示した圧電薄膜振動素子と異なる。圧電薄膜振動素子８４、８５の上部励振電極は、アルミニウムＡｌからなり、厚みが３６０ｎｍである。圧電薄膜振動素子８４、８５の反共振周波数は、圧電薄膜振動素子８１、８２、８３の共振周波数と概略一致させている。
【００９０】
圧電薄膜振動素子８１は、一端が入力端子Ｖｉｎ１に接続され、他端が圧電薄膜振動素子８２の一端に接続されている。圧電薄膜振動素子８２の他端は、圧電薄膜振動素子８３の一端に接続され、圧電薄膜振動素子８３の他端は、出力端子Ｖｏｕｔ１に接続されている。
【００９１】
圧電薄膜振動素子８４は、一端が圧電薄膜振動素子８１の他端に接続され、他端が入力端子Ｖｉｎ２及び出力端子Ｖｏｕｔ２に接続されている。圧電薄膜振動素子８５は、一端が圧電薄膜振動素子８２の他端に接続され、他端が入力端子Ｖｉｎ２及び出力端子Ｖｏｕｔ２に接続されている。
【００９２】
本実施例に係るフィルタは、本発明に係る圧電薄膜振動素子をラダー（梯子）状に組合せることにより、ラダー型フィルタを構成している。すなわち、圧電薄膜振動素子８１、８２、８３を直列腕に配置し、圧電薄膜振動素子８４、８５を並列腕に配することにより、２．５区間からなるラダー型フィルタを構成している。
【００９３】
このため、図１８に示すように、本実施例に係るフィルタは、インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減できる圧電薄膜振動素子８１〜８５を用いることにより、挿入損失を低減させ、良好なフィルタ特性を得ることができる。
【００９４】
また、本実施例に係るフィルタは、インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減できる圧電薄膜振動素子８１〜８５を用いることにより、位相特性及び群遅延特性のリップルを低減させ、良好なフィルタ特性を得ることができる。
【００９５】
また、図示は省略するが、本発明に係る圧電薄膜振動素子を格子状に組合せることにより、格子型フィルタを構成することもできる。そして、この場合も、図１７に示したフィルタと同様の作用効果を奏することができる。
【００９６】
また、本発明に係る圧電薄膜振動素子を用いて、ラダー型や、格子型以外のフィルタを構成した場合においても、図１７に示したフィルタと同様の作用効果を奏することができる。
【００９７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
（ａ）インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減することにより、インピーダンスの振幅特性を向上できる圧電薄膜振動素子を提供することができる。
（ｂ）インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減することにより、インピーダンスの位相特性を向上できる圧電薄膜振動素子を提供することができる。
（ｃ）インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減できる圧電薄膜振動素子を用いることにより、挿入損失を低減できるフィルタを提供することができる。
（ｄ）インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減できる圧電薄膜振動素子を用いることにより、位相特性のリップルを低減できるフィルタを提供することができる。
（ｅ）インピーダンス特性に現われるスプリアスの強度を低減できる圧電薄膜振動素子を用いることにより、群遅延特性のリップルを低減できるフィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電薄膜振動素子の一実施例を示す正面断面図である。
【図２】図１に示した圧電薄膜振動素子の平面断面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】図１に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極を簡素化した圧電薄膜振動素子の部分拡大平面図である。
【図５】図１に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極を簡素化した圧電薄膜振動素子の別の部分拡大平面図である。
【図６】図１に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極を簡素化した圧電薄膜振動素子の更に別の部分拡大平面図である。
【図７】図４に示した圧電薄膜振動素子の電気的共振特性の測定値を示す図である。
【図８】図７の部分拡大図である。
【図９】図１に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極を変化させた場合の、スプリアス強度を示す図である。
【図１０】図１に示した圧電薄膜振動素子の電気的共振特性の測定値を示す図である。
【図１１】本発明に係る圧電薄膜振動素子の別の実施例を示す正面断面図である。
【図１２】図１１に示した圧電薄膜振動素子の平面断面図である。
【図１３】図１２の部分拡大図である。
【図１４】図１１に示した圧電薄膜振動素子の上部励振電極を変化させた場合の、スプリアス強度を示す図である。
【図１５】図１１に示した圧電薄膜振動素子の電気的共振特性の測定値を示す図である。
【図１６】本発明に係る圧電薄膜振動素子の更に別の実施例を示す部分拡大平面図である。
【図１７】本発明に係るフィルタの一実施例を示す回路図である。
【図１８】図１７に示したフィルタの挿入損失の測定値を示す図である。
【符号の説明】
１圧電薄膜振動素子
１１上部励振電極
２１下部励振電極
４１圧電薄膜
５０ダイアフラム
６１バッファ層
６６パッケージ

Claims

圧電薄膜と、上部励振電極と、下部励振電極と、半導体基板とを含む圧電薄膜振動素子であって、
前記下部励振電極は、前記圧電薄膜の厚み方向の一方の主面に設けられ、
前記上部励振電極は、前記下部励振電極に対向して、前記圧電薄膜の厚み方向の他方の主面に設けられ、長軸径の長さａと、短軸径の長さｂとの比、ａ／ｂが、１．９＜ａ／ｂ＜５．０となる楕円形であり、
前記半導体基板は、一方の主面に、前記下部励振電極が設けられており、他方の主面には、前記下部励振電極に対向して、凹部が設けられており、前記凹部により、前記一方の主面と前記凹部の最底面との間に薄膜が形成され、前記薄膜がダイヤフラムとなり、
前記圧電薄膜は、厚み方向にｃ軸を持つ六方晶系に属し点群が６ｍｍであり、前記ｃ軸の方向に分極軸を有し、前記上部励振電極と前記下部励振電極との間に与えられた電圧により、厚み縦振動の基本波を主振動とする振動をするものであり、
前記下部励振電極は、前記上部励振電極をその内部に包含する程度に前記上部励振電極より大きい面積を有する４角形の電極である、
圧電薄膜振動素子。
請求項１に記載された圧電薄膜振動素子であって、前記上部励振電極の面積は、前記凹部の面積より小さく、前記下部励振電極は、前記凹部の面積より大きい圧電薄膜振動素子。
請求項１又は２に記載された圧電薄膜振動素子であって、前記圧電薄膜は、主面に、少なくとも１つの辺を含み、前記長軸は、前記圧電薄膜の前記辺に対して、１０°乃至８０°の角度で傾斜する圧電薄膜振動素子。
請求項１又は２に記載された圧電薄膜振動素子であって、前記下部励振電極は、少なくとも１つの辺を含み、前記長軸は、前記下部励振電極の前記辺に対して、１０°乃至８０°の角度で傾斜する圧電薄膜振動素子。
請求項１乃至４に記載された圧電薄膜振動素子であって、前記長軸は、前記基板の端面に対して、１０°乃至８０°の角度で傾斜する圧電薄膜振動素子。
請求項１乃至４に記載された圧電薄膜振動素子であって、前記凹部の最底面は、少なくとも１つの辺を含み、前記長軸は、前記凹部の最底面の前記辺に対して、１０°乃至８０°の角度で傾斜する圧電薄膜振動素子。
圧電薄膜と、上部励振電極と、下部励振電極と半導体基板とを含む圧電薄膜振動素子であって、
前記下部励振電極は、前記圧電薄膜の厚み方向の一方の主面に設けられ、
前記上部励振電極は、前記下部励振電極に対向して、前記圧電薄膜の厚み方向の他方の主面に設けられ、第１の辺と、第２の辺と、第１の弧状縁部と、第２の弧状縁部とを含み、
前記第１の辺及び前記第２の辺は、互いに平行であり、
前記第１の弧状縁部及び前記第２の弧状縁部は、前記第１の辺及び前記第２の辺の対向する端部に連なっており、
前記第１の辺又は前記第２の辺の長さｃと、前記第１の辺と前記第２の辺との間の距離ｄとの比、ｃ／ｄが、０．３＜ｃ／ｄ＜５．０であり、
前記半導体基板は、一方の主面に、前記下部励振電極が設けられており、他方の主面には、前記下部励振電極に対向して、凹部が設けられており、前記凹部により、前記一方の主面と前記凹部の最底面との間に薄膜が形成され、前記薄膜がダイヤフラムとなり、
前記圧電薄膜は、厚み方向にｃ軸を持つ六方晶系に属し点群が６ｍｍであり、前記ｃ軸の方向に分極軸を有し、前記上部励振電極と前記下部励振電極との間に与えられた電圧により、厚み縦振動の基本波を主振動とする振動をするものであり、
前記下部励振電極は、前記上部励振電極をその内部に包含する程度に前記上部励振電極より大きい面積を有する４角形の電極である、
圧電薄膜振動素子。
請求項７に記載された圧電薄膜振動素子であって、前記上部励振電極の面積は、前記凹部の面積より小さく、前記下部励振電極は、前記凹部の面積より大きい圧電薄膜振動素子。
請求項７又は８に記載された圧電薄膜振動素子であって、前記圧電薄膜は、主面に、少なくとも１つの辺を含み、前記第１の辺又は前記第２の辺は、前記圧電薄膜の前記辺に対して、１０°乃至８０°の角度で傾斜する圧電薄膜振動素子。
請求項７又は８に記載された圧電薄膜振動素子であって、前記下部励振電極は、少なくとも１つの辺を含み、前記第１の辺又は前記第２の辺は、前記下部励振電極の前記辺に対して、１０°乃至８０°の角度で傾斜する圧電薄膜振動素子。
請求項７乃至１０に記載された圧電薄膜振動素子であって、前記第１の辺又は前記第２の辺は、前記基板の端面に対して、１０°乃至８０°の角度で傾斜する圧電薄膜振動素子。
請求項７乃至１０に記載された圧電薄膜振動素子であって、前記凹部の最底面は、少なくとも１つの辺を含み、前記第１の辺又は前記第２の辺は、前記凹部の最底面の前記辺に対して、１０°乃至８０°の角度で傾斜する圧電薄膜振動素子。
請求項１乃至１２の何れかに記載された圧電薄膜振動素子であって、更に、バッファ層を含み、前記バッファ層は、前記下部励振電極を介して、前記圧電薄膜の厚み方向の一方の主面側に設けられている圧電薄膜振動素子。
請求項１乃至１３の何れかに記載された圧電薄膜振動素子であって、前記圧電薄膜は、ｃ軸が前記圧電薄膜の厚み方向に配向あるいはエピタキシャル成長した薄膜である圧電薄膜振動素子。
圧電薄膜振動素子を複数含むフィルタであって、前記圧電薄膜振動素子は、請求項１乃至１４の何れかに記載された圧電薄膜振動素子でなり、前記圧電薄膜振動素子のそれぞれが、互いに組合されているフィルタ。