JP4828966B2

JP4828966B2 - 圧電薄膜デバイス

Info

Publication number: JP4828966B2
Application number: JP2006061440A
Authority: JP
Inventors: 幸久大杉; 省一郎山口; 知義多井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: JP2007243451A

Description

本発明は、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスに関する。

従来、圧電薄膜デバイスを構成する圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ；Film Bulk Acoustic Resonator）は、均一な膜厚を有する圧電体薄膜の両主面に、振動が励振される励振領域において圧電体薄膜を挟んで対向する励振電極をそれぞれ形成することにより得られていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−３１８６９５号公報

しかし、従来の圧電薄膜デバイスには、圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性が、期待しないモードの振動に起因するスプリアスの影響を受けやすいという問題があった。

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスにおいて、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくすることを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスであって、厚み振動が励振され周波数上昇型のエネルギー閉じ込めによりエネルギーが閉じ込められる励振領域における膜厚が非励振領域より薄くなっている圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜の前記励振領域を内包する領域の外側において前記領域を離隔させた状態で前記圧電体薄膜を支持する支持体と、前記励振領域において前記圧電体薄膜を挟んで対向するように前記圧電体薄膜の第１の主面及び第２の主面にそれぞれ形成され、励振信号が印加される第１の電極膜及び第２の電極膜と、前記第１の主面の前記第１の電極膜が形成されていない領域及び前記第２の主面の前記第２の電極膜が形成されていない領域にそれぞれ形成され、前記圧電体薄膜を挟んで対向し、短絡され、励振信号が印加されない第３の電極膜及び第４の電極膜と、前記領域の外側において前記圧電体薄膜と前記支持体とを接着する有機接着剤からなる接着層とを備える。前記励振領域における前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記非励振領域における前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量との差が、前記励振領域における、前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記第１の電極膜及び前記第２の電極膜の単位面積あたりの質量との和の０．１％以上２０％以下である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記圧電体薄膜を構成する圧電体材料がニオブ酸リチウムである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記圧電体薄膜の、前記支持体に面する一の主面を非平坦にし、他の主面を平坦にすることにより、前記圧電体薄膜の膜厚を不均一とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記励振領域における前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記非励振領域における前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量との差が、前記励振領域における、前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記第１の電極膜及び前記第２の電極膜の単位面積あたりの質量との和の１％以上１０％以下である。

請求項１ないし請求項４の発明によれば、圧電体薄膜の不均一な厚みによって弾性波の伝播が妨げられるので、圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなる。

請求項１の発明によれば、励振領域へのエネルギー閉じ込めを実現できるので、圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなる。

請求項４の発明によれば、圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響をさらに受けにくくなる。

請求項１の発明によれば、支持基板による支持の影響を回避することができる。

＜１圧電薄膜共振子の構成＞
図１は、本発明の望ましい実施形態に係る圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ；Film Bulk Acoustic Resonator）１の概略構成を示す斜視図である。図１には、説明の便宜上、左右方向をＸ軸方向、前後方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系が定義されている。この点は、後述する各図においても同様である。圧電薄膜共振子１は、圧電体薄膜１４に励振される厚み縦振動による電気的な応答を利用した共振子となっている。

図１に示すように、圧電薄膜共振子１は、支持基板１１の上に、接着層１２、下面電極１３、圧電体薄膜１４及び上面電極１５をこの順序で積層した構造を有している。圧電薄膜共振子１において、圧電体薄膜１４の大きさは支持基板１１より小さくなっており、下面電極１３の一部は露出した状態となっている。

ここで、図２（１）は、上方から見た場合の上面電極１５のパターンを示しており、図２（２）は、上方から見た場合の下面電極１３のパターンを示している。さらに、図２（３）及び図２（４）は、それぞれ、図１のA-A及びB-Bの切断線における圧電薄膜共振子１の断面を示している。

圧電薄膜共振子１の製造にあたっては、単独で自重に耐え得る圧電体基板を除去加工することにより圧電体薄膜１４を得ているが、除去加工によって得られる圧電体薄膜１４は単独で自重に耐え得ない。このため、圧電薄膜共振子１の製造にあたっては、除去加工に先立って、圧電体基板を含む所定の部材を、支持体となる支持基板１１にあらかじめ接着している。

○支持基板；
支持基板１１は、圧電薄膜共振子１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下面電極１３が下面に形成された圧電体基板を接着層１２を介して支持する支持体としての役割を有している。加えて、支持基板１１は、圧電薄膜共振子１の製造後に、下面電極１３が下面に形成され、上面電極１５が上面に形成された圧電体薄膜１４を接着層１２を介して支持する支持体としての役割も有している。したがって、支持基板１１には、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜共振子１の製造後にも強度が低下しないこととが要請される。

支持基板１１の材料及び厚さは、このような要請を満足するように、適宜選択することができる。ただし、支持基板１１の材料を、圧電体薄膜１４を構成する圧電材料と近い熱膨張率、より望ましくは、圧電体薄膜１４を構成する圧電材料と同じ熱膨張率を有する材料、例えば、圧電体薄膜１４を構成する圧電材料と同じ材料とすれば、圧電薄膜共振子１の製造途上において、熱膨張率の差に起因する反りや破損を抑制することができる。また、圧電薄膜共振子１の製造後において、熱膨張率の差に起因する特性変動や破損を抑制することができる。なお、熱膨張率に異方性がある材料を用いる場合、各方向の熱膨張率がともに同じとなるように配慮することが望ましい。また圧電材料と同じ材料を同じ方位で用いるこ場合もある。

圧電体薄膜１４の励振領域１４１に対向する支持基板１１の所定の領域には、円柱形状の陥没（凹部又は掘り込み）１１１が形成されている（図２（４）参照）。陥没１１１は、圧電体薄膜１４の励振領域１４１の下方にキャビティ（空洞）を形成し、圧電体薄膜１４の励振領域１４１を支持基板１１から離隔させ、励振領域１４１に励振された振動が支持基板１１と干渉しないようにする役割を果たしている。

○接着層；
接着層１２は、圧電薄膜共振子１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下面電極１３が下面に形成された圧電体基板を支持基板１１に接着固定する役割を有している。加えて、接着層１２は、圧電薄膜共振子１の製造後に、下面電極１３が下面に形成され、上面電極１５が上面に形成された圧電体薄膜１４を支持基板１１に接着固定する役割も有している。したがって、接着層１２には、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜共振子１の製造後にも接着力が低下しないこととが要請される。

このような要請を満足する接着層１２の望ましい例としては、有機接着剤、望ましくは、充填効果を有し、接着対象が完全に平坦ではなくても十分な接着力を発揮するエポキシ接着剤（熱硬化性を利用するエポキシ樹脂の接着剤）やアクリル接着剤（光硬化性及び熱硬化性を併用するアクリル樹脂の接着剤）により形成された接着層１２を挙げることができる。このような樹脂を採用することにより、圧電体基板と支持基板１１との間に期待しない空隙が生じることを防止し、当該空隙により圧電体基板の除去加工時にクラック等が発生することを防止可能である。ただし、このことは、これ以外の接着層１２によって圧電体薄膜１４と支持基板１１とが接着固定されることを妨げるものではない。

○圧電体薄膜；
圧電体薄膜１４は、圧電体基板を除去加工することにより得られる。より具体的には、圧電体薄膜１４は、単独で自重に耐え得る厚み（例えば、５０μｍ以上）を有する圧電体基板を、単独で自重に耐え得ない膜厚（例えば、１０μｍ以下）まで除去加工で薄肉化することにより得られる。

圧電体薄膜１４を構成する圧電材料としては、所望の圧電特性を有する圧電材料を選択することができるが、水晶（SiO₂）、ニオブ酸リチウム(LiNbO₃）、タンタル酸リチウム（LiTaO₃）、四ホウ酸リチウム（Li₂B₄O₇）、酸化亜鉛（ZnO）、ニオブ酸カリウム（KNbO₃）及びランガサイト（La₃Ga₃SiO₁₄）等の粒界を含まない単結晶材料を選択することが望ましい。圧電体薄膜１４を構成する圧電材料として単結晶材料を用いることにより、圧電体薄膜１４の電気機械結合係数及び機械的品質係数を向上させることができるからである。

また、圧電体薄膜１４における結晶方位も、所望の圧電特性を有する結晶方位を選択することができる。ここで、圧電体薄膜１４における結晶方位は、圧電薄膜共振子１の共振周波数や反共振周波数の温度特性が良好となる結晶方位とすることが望ましく、周波数温度係数が「０」となる結晶方位とすることがさらに望ましい。

圧電体基板の除去加工は、切削、研削及び研磨等の機械加工並びにエッチング等の化学加工等により行う。ここで、複数の除去加工方法を組み合わせ、加工速度が速い除去加工方法から、加工対象に生じる加工変質が小さい除去加工方法へと除去加工方法を段階的に切り替えながら圧電体基板を除去加工すれば、高い生産性を維持しつつ、圧電体薄膜１４の品質を向上し、圧電薄膜共振子１の特性を向上することができる。例えば、圧電体基板を固定砥粒に接触させて削る研削及び圧電体基板を遊離砥粒に接触させて削る研磨を順次行った後に、当該研磨によって圧電体基板に生じた加工変質層を仕上げ研磨により除去するようにすれば、圧電体基板を削る速度が早くなり、圧電薄膜共振子１の生産性を向上可能であるとともに、圧電体薄膜１４の品質を向上することにより、圧電薄膜共振子１の特性を向上可能である。なお、圧電体基板の除去加工のより具体的な方法については、後述する実施例において説明する。

このような圧電薄膜共振子１では、圧電体薄膜１４をスパッタリング等により成膜した場合と異なり、圧電体薄膜１４を構成する圧電材料や圧電体薄膜１４における結晶方位が下地の制約を受けないので、圧電体薄膜１４を構成する圧電材料や圧電体薄膜１４における結晶方位の選択の自由度が高くなっている。したがって、圧電薄膜共振子１では、所望の特性を実現することが容易になっている。

圧電体薄膜１４の上面は、平坦となっているが、下面は、円柱形状の陥没（凹部又は掘り込み）１４９が形成され、非平坦となっている（図２（４）参照）。陥没１４９は、上面電極１５１及び下面電極１３１が対向する励振領域１４１に形成されており、励振領域１４１における圧電体薄膜１４の膜厚は非励振領域１４２よりも薄くなっている。このような圧電体薄膜１４の膜厚の不均一性により、圧電薄膜共振子１においては、励振領域１４１の外部への弾性波の伝播が妨げられ、励振領域１４１へのエネルギー閉じ込めを実現することができるので、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなっている。

なお、圧電体薄膜１４の、支持基板１１に面する下面に陥没１４９を形成すれば、圧電体基板の除去加工後に陥没１４９を形成する必要がないので、圧電薄膜共振子１の損傷を回避しやすいという利点がある。ただし、このことは、圧電体薄膜１４の上面に陥没を形成することを妨げるものではない。

ここで、圧電薄膜共振子１の周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくするためには、励振領域１４１における圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量と非励振領域１４２における圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量との差が、励振領域１４１における、圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量と励振電極（上面電極１５１及び下面電極１３１）の単位面積あたりの質量との和の０．１％以上２０％以下とすることが望ましく、１％以上１０％以下とすることがさらに望ましい。なぜならば、励振領域１４１と非励振領域１４２との段差が小さくなりすぎると、質量効果によるエネルギー閉じ込めが不十分になり、圧電薄膜共振子１の周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けやすくなるからであり、励振領域１４１と非励振領域１４２との段差が大きくなりすぎると、励振領域１４１と非励振領域１４２との境界が実質的に固定端となり、過剰なエネルギー閉じ込めにより圧電薄膜共振子１の周波数インピーダンス特性がかえってスプリアスの影響を受けやすくなるからである。

ここで、圧電体薄膜１４は、励振領域１４１より若干大きな陥没１１１により、励振領域１４１を内包する領域（以下、「離隔領域」）１４４の外側で支持基板１１に支持され、離隔領域１４４が支持基板１１から離隔されている。すなわち、圧電薄膜共振子１では、励振領域１４１の外郭は離隔領域１４４の内部にあり、実質的に固定端として機能する離隔領域１４４の外郭における弾性波の反射に起因するスプリアスが周波数インピーダンス特性に影響を与えることを防止し、支持基板１１による支持の影響を回避している。

○上面電極及び下面電極；
上面電極１５及び下面電極１３は、導電材料を成膜することにより得られた導電体薄膜である。

上面電極１５及び下面電極１３の膜厚は、圧電体薄膜１４への密着性、電気抵抗及び耐電力等を考慮して決定される。なお、圧電体薄膜１４の音速や膜厚のばらつきに起因する圧電薄膜共振子１の共振周波数や反共振周波数のばらつきを抑制するため、上面電極１５及び下面電極１３の膜厚を適宜調整するようにしてもよい。

上面電極１５及び下面電極１３を構成する導電材料は、特に制限されないが、アルミニウム（Al）、銀（Ag）、銅（Cu）、白金（Pt）、金（Au）、クロム（Cr）、ニッケル（Ni）、モリブデン（Mo）、タングステン(W)及びタンタル（Ta）等の金属から選択することが望ましい。もちろん、上面電極１５及び下面電極１３を構成する導電材料として合金を用いてもよい。また、複数種類の導電材料を重ねて成膜することにより、上面電極１５及び下面電極１３を形成してもよい。

図１及び図２に示すように、上面電極１５及び下面電極１３のうち、上面電極１５１及び下面電極１３１は、励振信号が印加される励振電極となっており、振動が励振される円形（典型的には、直径が３０μｍ〜３００μｍの円形）の励振領域１４１において、圧電体薄膜１４を挟んで対向している。圧電体薄膜１４の上面に形成された上面電極１５１は、励振領域１４１から−Ｘ方向に引き出され、その先端は外部配線の接続用のパット１５１Ｐとなっている。また、圧電体薄膜１４の下面に形成された下面電極１３１は、励振領域１４１から上面電極１５１とは逆の＋Ｘ方向に引き出され、その先端は外部配線の接続用のパット１３１Ｐとなっている。なお、圧電薄膜共振子１では、パット１３１Ｐへの外部配線の接続を可能ならしめるために、パット１３１Ｐの近傍の圧電体薄膜１４（図１において点線で図示した部分）が除去され、パット１３１Ｐが露出した状態となっている。このような上面電極１５１及び下面電極１３１により、圧電薄膜共振子１では、パット１５１Ｐ及び１３１Ｐを介して上面電極１５１及び下面電極１３１に励振信号が印加されると、上面電極１５１と下面電極１３１とが対向する励振領域１４１において圧電体薄膜１４の内部に電界Ｅが発生し、励振領域１４１に振動が励振される。

加えて、圧電薄膜共振子１においては、圧電体薄膜１４の上面の、励振電極となる上面電極１５１が形成されていない領域にも、上面電極１５１との間の間隙及び圧電体薄膜１４の縁辺を除くほぼ全面に、励振信号が印加されない上面電極１５２が形成されている。同様に、圧電体薄膜１４の下面の、励振電極となる下面電極１３１が形成されていない領域にも、下面電極１３１との間の間隙及び圧電体薄膜１４の縁辺を除くほぼ全面に、励振信号が印加されない下面電極１３２が形成されている。この上面電極１５２及び下面電極１３２により、圧電薄膜共振子１では、励振領域１４１以外の非励振領域１４２において圧電体薄膜１４の内部に発生する電界を抑制することができるようになっている。これにより、圧電薄膜共振子１では、期待しないモードの振動（ここでは、厚み縦振動以外の振動）を抑制することができ、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなっている。

ここで、上面電極１５２及び下面電極１３２は、圧電体薄膜１４の端面の短絡部１４３において短絡されている。このため、圧電薄膜共振子１では、短絡された上面電極１５２及び下面電極１３２が圧電体薄膜１４を挟んで対向している領域において、圧電体薄膜１４の上面及び下面の間の電位差がなくなり、圧電体薄膜１４の内部に発生する厚み方向の電界が抑制されることになり、期待しないモードの振動をさらに抑制することができ、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響をさらに受けにくくなっている。

なお、上面電極１５２及び下面電極１３２を接地してやれば、上面電極１５２及び下面電極１３２が形成されている領域において、圧電体薄膜１４の上面及び下面の電位がゼロに固定され、圧電薄膜共振子１における浮遊容量の影響が小さくなるので、上面電極１５及び下面電極１３は接地することが望ましい。

以下では、本発明の望ましい実施形態に係る実施例１及び実施例２と本発明の範囲外の比較例とについて説明する。

［実施例１］
実施例１では、支持基板１１及び圧電体薄膜１４を構成する圧電材料としてニオブ酸リチウムの単結晶、接着層１２を構成する材料としてエポキシ接着剤、下面電極１３を構成する導電材料としてモリブデン及びタンタル、上面電極１５を構成する導電材料としてクロム及び金を用いて圧電薄膜共振子１を作製した。

なお、実施例１の圧電薄膜共振子１は、図３の断面図に示すように、製造原価の低減のために、多数の圧電薄膜共振子１を一体化した集合体Ｕを作製した後に、集合体Ｕをダイシングソーで切断して個々の圧電薄膜共振子１へ分離することによって得られている。なお、図４には、３個の圧電薄膜共振子１が集合体Ｕに含まれる例が示されているが、集合体Ｕに含まれる圧電薄膜共振子１の数は、４個以上であってもよく、典型的に言えば、集合体Ｕには、数１００個〜数１０００個の圧電薄膜共振子１が含まれる。

以下では、便宜上、集合体Ｕに含まれる１個の圧電薄膜共振子１に着目して説明を進めるが、集合体に含まれる他の圧電薄膜共振子１も着目した圧電薄膜共振子１と同時平行して製造されている。

続いて、図４及び図５を参照しながら、実施例１の圧電薄膜共振子１の製造方法を説明する。なお、図４（Ａ）〜図４（Ｆ）及び図５（Ｇ）〜図５（Ｉ）は、図１のB-Bの切断面における製造途上の圧電薄膜共振子１の断面図となっている。

圧電薄膜共振子１の製造にあたっては、最初に、厚み０．５ｍｍ、直径３インチのニオブ酸リチウムの単結晶の円形ウエハ（３６度カットＹ板）を支持基板１１及び圧電体基板１７として準備した。

そして、陥没１１１を形成すべき領域が開口部となっているマスク（クロム膜と金膜とからなる積層膜）Ｍ１を支持基板１１の上面に形成し（図４（Ａ））、温度６０℃の１：１バッファードフッ酸（以下、「ＢＨＦ」）溶液に支持基板１１を浸漬することにより、陥没１１１が形成された支持基板１１を得た（図４（Ｂ））。

同様に、陥没１４９を形成すべき領域が開口部となっているマスク（クロム膜と金膜とからなる積層膜）Ｍ２を圧電体基板１７の下面に形成し（図４（Ｃ））、ＢＨＦ溶液に圧電体基板１７を浸漬することにより、０．１５μｍの深さの陥没１４９が形成された圧電体基板１７を得た（図４（Ｄ））。

その後、圧電体基板１７の下面に、厚さ０．０５７μｍのモリブデン膜と厚さ０．０２μｍのタンタル膜とをスパッタリングにより成膜し、フォトリソグラフィにより、図２（２）に示すパターンを有する下面電極１３を得た（図４（Ｅ））。

続いて、支持基板１１の上面に接着層１２となるエポキシ接着剤を塗布し、支持基板１１の上面と、圧電体基板１７の下面とを張り合わせた。そして、支持基板１１及び圧電体基板１７に圧力を印加してプレス圧着を行い、接着層１２の厚みを０．５μｍとした。しかる後に、張り合わせた支持基板１１及び圧電体基板１７を２００℃の環境下で１時間放置してエポキシ接着剤を硬化させ、支持基板１１と圧電体基板１７とを接着した（図４（Ｆ））。

支持基板１１と圧電体基板１７との接着が完了した後、圧電体基板１７を支持基板１１に接着した状態を維持したまま、支持基板１１の下面を炭化ケイ素（SiC）で作製した研磨治具に固定し、圧電体基板１７の上面を固定砥粒の研削機で研削加工し、圧電体基板１７の厚さを５０μｍまで薄肉化した。さらに、圧電体基板１７の上面をダイヤモンド砥粒で研磨加工し、圧電体基板１７の厚さを２μｍまで薄肉化した。最後に、ダイヤモンド砥粒による研磨加工で圧電体基板１７に生じた加工変質層を除去するために、遊離砥粒及び不繊布系研磨パッドを使用して圧電体基板１７の仕上げ研磨を行い、非励振領域１４２における厚さが１．１５μｍであり、励振領域１４１における厚さが１μｍの圧電体薄膜１４を得た（図５（Ｇ））。

続いて、圧電体薄膜１４の上面（研磨面）を有機溶剤で洗浄し、厚さ０．０２μｍのクロム膜と厚さ０．０５１５μｍの金膜とをスパッタリングにより成膜し、フォトリソグラフィにより、図２（１）に示すパターンを有する上面電極１５を得た（図５（Ｈ））。

さらに、圧電体薄膜１４の、下面電極１３１のパット１３１Ｐを被覆する部分をフッ酸によるエッチングで除去し、パット１３１Ｐが露出された圧電薄膜共振子１を得た（図５（Ｉ））。

このようにして得られた圧電薄膜共振子１について、ネットワークアナライザ及びプローバーを用いて周波数インピーダンス特性を評価したところ、図６に示す波形が得られた。

なお、モリブデン、タンタル、ニオブ酸リチウム、クロム及び金の比重は、それぞれ、１０.２、１６．６、４．６４、７．２及び１９．４ｇ／ｃｍ³であるから、実施例１の圧電薄膜共振子１では、励振領域１４１及び非励振領域１４２における圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量の差は、０．６９６×１０^-12ｇ／ｍ²（=0.15μm×4.64g/cm³）であり、励振領域１４１における、圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量と励振電極の単位面積あたりの質量との和６．６９×１０^-12ｇ／ｍ²（=0.57μm×10.2g/cm³＋0.02μm×16.6g/cm³＋1μm×4.64g/cm³＋0.02μm×7.2g/cm³＋0.0515μm×19.4g/cm³）の１０．４％となっている。

［実施例２］
実施例２では、圧電体薄膜１４の、非励振領域１４２における厚さを１．０９４μｍとし、励振領域１４１における厚さを１μｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で圧電薄膜共振子１を製造した。このようにして得られた圧電薄膜共振子１について、ネットワークアナライザ及びプローバーを用いて、周波数インピーダンス特性を評価したところ、図７に示す波形が得られた。

なお、実施例２の圧電薄膜共振子１では、励振領域１４１及び非励振領域１４２における圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量の差は、０．４３６×１０^-12ｇ／ｍ²（=0.094μm×4.64g/cm³）であり、励振領域１４１における、圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量と励振電極の単位面積あたりの質量との和６．６９×１０^-12ｇ／ｍ²（=0.57μm×10.2g/cm³＋0.02μm×16.6g/cm³＋1μm×4.64g/cm³＋0.02μm×7.2g/cm³＋0.0515μm×19.4g/cm³）の６．５％となっている。

［比較例］
比較例では、圧電体薄膜１４の下面を平坦とし、陥没を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様の手順で圧電薄膜共振子を製造した。このようにして得られた圧電薄膜共振子について、ネットワークアナライザ及びプローバーを用いて、周波数インピーダンス特性を評価したところ、図８に示す波形が得られた。

［実施例１〜２及び比較例の対比］
実施例１〜２及び比較例から明らかなように、圧電薄膜共振子１において、励振領域１４１における圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量を軽くする陥没１４９を形成することにより、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなり、共振抵抗の上昇を回避できている。特に、実施例２に示すように、励振領域１４１及び非励振領域１４２における圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量の差が、励振領域１４１における、圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量と励振電極の単位面積あたりの質量との和の１％以上１０％以下となるようにすれば、特に効果的にスプリアスを抑制することができる。

なお、陥没１４９によるスプリアスの抑制効果は、実施例１〜２で述べた特定の材料と膜厚の組み合わせの場合のみでなく、他の材料と膜厚の組み合わせにおいても得ることができる。また、陥没によるスプリアスの抑制効果は、材料と膜厚の組み合わせに関わらず、励振領域１４１及び非励振領域１４２における圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量の差と、圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量と励振電極の単位面積あたりの質量との和との比によって決定されることがわかった。

＜変形例＞
上述の説明では、単数の圧電薄膜共振子からなる圧電薄膜デバイスについて説明を行ったが、本発明における圧電薄膜デバイスとは、一般的に言えば、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイス全般を意味しており、単一の圧電薄膜共振子を含む発振子及びトラップ等並びに複数の圧電薄膜共振子を含むフィルタ、デュプレクサ、トリプレクサ及びトラップ等を含んでいる。

また、上述の説明では、圧電体薄膜に励振される厚み縦振動による電気的な応答を利用した圧電薄膜共振子について説明したが、厚み縦振動以外のモード、例えば、厚みすべり振動等も利用可能である。

さらに、上述の説明では励振領域が円形であるとして説明を進めたが、励振領域は円形に制限されず、他の形状（例えば、多角形）であってもよい。なお、励振領域を多角形とする場合、多角形の最長の対角線の長さは、典型的には、３０μｍ〜３００μｍである。

本発明の望ましい実施形態に係る圧電薄膜共振子１の概略構成を示す斜視図である。上方から見た場合の上面電極１５、下面電極１３及び付加膜１６のパターン並びに図１のA-A及びB-Bの切断線における圧電薄膜共振子１の断面を示す図である。多数の圧電薄膜共振子１を一体化した集合体Ｕを切断して個々の圧電薄膜共振子１へ分離する様子を示す断面図である。圧電薄膜共振子１の製造方法を説明する図である。圧電薄膜共振子１の製造方法を説明する図である。実施例１の圧電薄膜共振子１の周波数インピーダンス特性を示す図である。実施例２の圧電薄膜共振子１の周波数インピーダンス特性を示す図である。比較例の圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性を示す図である。

符号の説明

１圧電薄膜共振子
１１支持基板
１２接着層
１３下面電極
１４圧電体薄膜
１５上面電極
１６付加膜
１７圧電体基板
１４１励振領域
１４２非励振領域
１４４離隔領域

Claims

単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスであって、
厚み振動が励振され周波数上昇型のエネルギー閉じ込めによりエネルギーが閉じ込められる励振領域における膜厚が非励振領域より薄くなっている圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の前記励振領域を内包する領域の外側において前記領域を離隔させた状態で前記圧電体薄膜を支持する支持体と、
前記励振領域において前記圧電体薄膜を挟んで対向するように前記圧電体薄膜の第１の主面及び第２の主面にそれぞれ形成され、励振信号が印加される第１の電極膜及び第２の電極膜と、
前記第１の主面の前記第１の電極膜が形成されていない領域及び前記第２の主面の前記第２の電極膜が形成されていない領域にそれぞれ形成され、前記圧電体薄膜を挟んで対向し、短絡され、励振信号が印加されない第３の電極膜及び第４の電極膜と、
前記領域の外側において前記圧電体薄膜と前記支持体とを接着する有機接着剤からなる接着層と、
を備え、
前記励振領域における前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記非励振領域における前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量との差が、前記励振領域における、前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記第１の電極膜及び前記第２の電極膜の単位面積あたりの質量との和の０．１％以上２０％以下であることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
請求項１に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記圧電体薄膜を構成する圧電体材料がニオブ酸リチウムである圧電薄膜デバイス。
請求項１又は請求項２に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記圧電体薄膜の、前記支持体に面する一の主面を非平坦にし、他の主面を平坦にすることにより、前記圧電体薄膜の膜厚を不均一とすることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記励振領域における前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記非励振領域における前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量との差が、前記励振領域における、前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記第１の電極膜及び前記第２の電極膜の単位面積あたりの質量との和の１％以上１０％以下であることを特徴とする圧電薄膜デバイス。