JPH0356013B2

JPH0356013B2 -

Info

Publication number: JPH0356013B2
Application number: JP56127057A
Authority: JP
Priority date: 1981-08-13
Filing date: 1981-08-13
Publication date: 1991-08-27
Also published as: JPS5829211A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は圧電薄膜を用いたVHF、UHF用高調
波圧電振動子に関し、特に薄膜部材と、圧電薄膜
との組合せからなる複合構造の振動部位を有する
薄膜圧電振動子に関するものである。薄膜圧電振
動子は、基本的には圧電性薄板の両側に電極を備
えた構造をしており、電極形状を変えることによ
り、フイルタや発振器等にも利用でき、応用範囲
の広い素子である。

一般に数十ＭHz以上のような高い周波数で使用
される圧電振動子は、振動モードとして板面が厚
さに比して十分広い圧電性薄板の厚み振動を使用
する。

厚み振動の共振周波数は圧電性薄板の厚さに反
比例するので高い周波数で使用するためには厚さ
を薄くしなければならない。しかし、厚さが40ミ
クロン程度以下になると圧電材料であるバルク結
晶やセラミツクの平行平面研磨加工が非常に難し
くなり、したがつてこれらの材料を用いて基本共
振周波数で50MHz以上の厚み振動圧電振動子を量
産することは困難である。これに対して、バルク
結晶或いはセラミツク等の比較的厚い板面の厚み
振動の奇数次の高調波を使用すれば、同じ厚みで
基本波の３倍、５倍……等の共振周波数が得ら
れ、これはオーバートーン振動子として発振器な
どに使われている。しかし第ｎ次の高調波を用い
た場合の電気機械結合係数k² _oは基本波の電気機械
結合係数k¹ ₂の１／n²倍となり、このとき共振周
波数と反共振周波数の間隔との共振周波数との比
は、ほぼk¹ ₂／2n²となる。したがつて高調波を使
つたのでは電気機械結合係数の減少に伴つてフイ
ルタの比帯域及び発振器の制御範囲が狭くなりす
ぎる結果を招き、これまた実用に適さないことが
多くなる。

高調波を用いる他の方法は、基板の上に圧電薄
膜を作成し圧電薄膜の厚さが半波長であるような
共振モードに於いて基板を高次振動させるもので
あり、この場合基板の厚さが基板内を伝播する音
波を半波長の整数倍に等しいときに電気機械結合
係数は最大値を持つが、この値は共振モードが高
次になるに従つてやはり減少する。この方法に於
いても基板を薄くすることは非常に困難であり、
例えば50ミクロン程度の基板を作製できたとして
も50MHzの周波数では３〜５次以上の共振モード
を用いることになり、電気機械結合係数が小さく
なるため基板の厚さを音波の半波長の整数倍に一
致させたとしてもフイルタの比帯域幅及び発振器
の制御範囲は狭くなり実用に適さない。

上記のような方法の欠点を改善した圧電振動子
を得る方法として、シリコン基板上に蒸着等によ
つて電極（金、アルミニウム等）圧電薄膜
（CdS、又はCdTe）電極（金、アルミニウム等）
の順で形成し、この振動部分に対応する部分の基
板をエツチングによつて除去することにより振動
部分はその上下面に電極を有する圧電薄膜からな
り、外縁部を基板によつて支持された構造の薄膜
圧電振動子が公知である。（特公昭46−25579）こ
の振動子は振動部分が薄いため50MHz以上の高い
周波数においても基本振動あるいは低次の高調波
振動を使用することができ、したがつて広い比帯
域のフイルターを実現することができる。しかし
この薄膜圧電振動子は圧電薄膜としてCdSあるい
はCdTeを用いているため音響的クオリテイフア
クター（Ｑ）が小さく、温度係数が大きく、また
振動部分が薄いため機械的強度が小さいという欠
点を有している。また現在圧電材料として薄膜化
が可能なZnOを用いても前記の欠点はあまり改善
されない。上記の特公昭46−25579においてはシ
リコン基板上にSiO₂薄膜を形成しその上に電極、
圧電薄膜電極の順で形成し、この振動部分に対応
する部分の基板をエツチングによつて除去し、振
動部分がSiO₂薄膜とその上下面に電極を有する
圧電薄膜からなり、外縁部を基板によつて支持さ
れた構造の薄膜圧電振動子も開示されている。
SiO₂薄膜を形成した効果はこのSiO₂薄膜の部分
でエツチングを止める効果の他に、当該振動子の
機械的強度を高め、振動子特性の温度係数を小さ
くする効果を有する。この振動子について第１
図、第２図を用いてさらに詳しく説明する。

この薄膜圧電振動子の構造を第１図に示す。第
１図に於いて１１は基板、１２はエツチングによ
つて基板に形成した空孔である。１３は薄膜、１
４は圧電薄膜、１５，１６は圧電薄膜の両面に対
向して設けた電極である。第１図の構造の薄膜圧
電振動子の電気機械結合係数k²は薄膜１３の厚さ
t′と圧電薄膜１４の厚さｔの比によつて変化す
る。たとえば圧電薄膜１４としてZnO薄膜を用
い、薄膜１３としてSiO₂薄膜を用いた場合、k²
を理論式から求めるとk²は薄膜１３の厚さt′と圧
電薄膜１４の厚さの比t′／ｔにしたがつて第２図
のように変化する。第２図に於いて横軸は厚さの
比t′／ｔ縦軸は電気機械結合係数k²であり、曲線
に記した数字は振動の次数を示す。第２図から予
想されるように、第１図の構造の薄膜圧電振動子
では基本振動を用いる場合、圧電薄膜１４に対し
て薄膜１３の厚さが十分薄いたとえばt′／ｔ＜0.2
であるような範囲で大きな電気機械結合係数が得
られ、したがつて比帯域幅の広いフイルタ或いは
制御範囲の広い発振器として利用できる。しかし
第３次或いは第４次の高調波振動も比較的大きな
電気機械結合係数を有することが第２図から予想
され、したがつて高周波側に第３次或いは第４次
の高調波共振に伴う不要応答が生じるという欠点
がある。一方、第１図の構造で圧電薄膜１４に対
して薄膜１３の厚さt′をt′／ｔ＜0.2のように大き
くすることは振動子部分の機械的強度を高める上
で有利であるが、第２図からわかるように薄膜１
３の厚さt′の増大に伴つて基本振動の電気機械結
合係数は減少し、さらに第２次の高調波振動の電
気機械係数が増大する。したがつて、薄膜１３の
厚さが厚い場合には、フイルタの比帯域幅が狭く
なる、或いは発振器の制御範囲が狭くなるという
欠点を有すると同時に、高周波側に第２次の高調
波共振に伴う不要応答が生じるという欠点を有す
る。

本発明の目的は上記のような従来の薄膜圧電振
動子の欠点を除き、基本振動の電気機械結合係数
が大きく、高次振動の電気機械結合係数が極めて
小さい薄膜圧電振動子を実現することであり、本
発明の薄膜圧電振動子を用いれば高周波側に不要
応答がなく、広い比帯域幅を有するフイルタ或い
は制御範囲の広い発振器が実現できる。本発明の
薄膜圧電振動子の最たる特徴は振動部位が無機材
料の薄膜部材−電極−圧電電極−電極−無機材料
の薄膜部材から成る多層構造を有する点にある。

以下に本発明を詳細に説明する。第３図は本発
明の薄膜圧電振動子の基本的な構造を示す図であ
る。第３図において３１はシリコン、水晶などか
らなる基板であり、３２はエツチングによつて基
板に形成した空孔である。３３，３４は薄膜部
材、３５は圧電薄膜、３６，３７は圧電薄膜と上
下の薄膜部材との界面に設けた電極である。基板
３１に用いる材料としてはエツチングで空孔を形
成することが可能な材料であればどのような材料
でも良い。望ましい材料の一つとして表面が
（100）面であるようなシリコンがある。このよう
なシリコンは、たとえばKOH、エチレンジアミ
ンのようなエツチング液を使用すれば、（100）面
のエツチング速度に比較して（111）面のエツチ
ング速度が非常に小さいというエツチングの異方
性を示すことにより面方向へのエツチングの拡が
りが極めて小さく、したがつて精度良く空孔の寸
法を制御できる利点がある。圧電薄膜３５として
はZnO、CdS、AlNなどの結晶系が六方晶系の圧
電材料やPbTiO₃、PZT、BaTiO₃などの種々の
圧電材料を使用することができる。なかでもZnO
はスパツタリング法、CVD法、イオン・プレー
テイング法などによつてＣ軸が基板面に対して垂
直に配向し、かつ高い抵抗率の薄膜を再現性良く
作製でき、しかも厚みたて振動モードのエネルギ
ー閉じ込めが可能であるため最適な材料といえよ
う。薄膜部材としては絶縁体、シリコンなどの半
導体、あるいは金属の薄膜など、どのような材料
を使用しても、本発明の目的が達成される。中で
も第３図３３，３４の薄膜部材として共にSiO₂
薄膜を使用すると一般に圧電薄膜の弾性定数が負
の温度系数を有するのに対し、SiO₂の弾性定数
は正の温度係数を有することが知られており、し
たがつて温度依存性の小さい薄膜圧電振動子が実
現できる。またシリコンは機械的強度が高く、音
響的クオリテイ・フアクタ（Ｑ）が大きいところ
から、特に振動部位の厚さの薄いことが要求され
る。300MHz以上のような高い周波数に於いても
シリコン薄膜を薄膜部材として用いれば振動部位
の機械的強度を高めることができる。また特に損
失の小さいフイルタ或いは共振の尖鋭度の大きな
共振子が要求される場合にも薄膜部材にシリコン
薄膜を用いればその大きな音響的クオリテイ・フ
アクタ（Ｑ）により要求を実現することができ
る。この場合には第３図３３の薄膜部材としてシ
リコン薄膜を使用し、薄膜部材３４としては
SiO₂薄膜を使用するのが温度特性の観点からも
望ましい。ただしこの薄膜部材の材料としては
SiO₂やSiに限らず他の絶縁材料や半導体材料、
さらには金属材料も使用可能である。

次に圧電薄膜の上下に形成された薄膜を有する
本発明の薄膜圧電振動子において電気機械結合係
数k²と該薄膜の厚さの関係を第４〜６図を用いて
説明する。

第４図は第３図の構造において圧電薄膜３５が
厚さｔのZnO薄膜であり薄膜部材３３，３４が共
にSiO₂薄膜であつてこの２つの薄膜の合計の厚
さがｔ／２に等しい場合について、薄膜部材３３
の厚さt₃₃と薄膜部材３４の厚さt₃₄との比t₃₄／t₃₃
を変化させた場合の電気機械結合係数k²の変化を
理論式から求めたものである。第４図に於いて曲
線に付した数字は振動の次数を示す。t₃₄／t₃₃＝
０は前述の従来例で片面だけに薄膜部材を有する
構造の場合に対応する。第４図から明らかなよう
に薄膜部材３４の厚さが増大するに伴つて基本振
動の電気機械結合係数が急速に増大し、偶数次の
高次振動の電気機械結合係数は逆に急速に減少し
てゆく。

すなわち従来の構造に比べ圧電薄膜の上下に薄
膜を形成し、これらの薄膜の厚さをしだいに等し
くなるように変化させてゆくと振動子の特性は大
きく改善されてゆく。特に両面の薄膜部材の厚さ
が等しくなつたときに基本振動の電気機械結合係
数が最大となり、また偶数次の高次振動は完全に
抑圧され、最適な振動子特性が得られる。薄膜部
材３３と薄膜部材３４が異なる材料からなる場合
にも第４図と同様の変化を示すがこのときには、
それぞれの薄膜部材の厚さがそれぞれの薄膜での
音速に対して等しい比を有するような厚さの比に
おいて基本振動の電気機械結合係数が最大とな
り、かつ偶数次の高次振動が完全に抑圧される。
例えば薄膜部材３３が音速8430ｍ／ｓのシリコン
薄膜であり、薄膜部材３４が音速5960ｍ／ｓの
SiO₂薄膜であれば厚さの比t₃₄／t₃₃が0.71に等し
いときに基本振動を電気機械結合係数が最大とな
り、かつ偶数次の高次振動が完全に抑圧される。

次に当該薄膜の厚さが等しいとき、あるいは薄
膜材料が異なる場合においてそれぞれの厚さが音
速に対して等しい比を有するような厚さの比であ
る場合について説明する。

第５図は第３図の薄膜部材３３，３４が等しい
厚さの同一の材料からなるか、あるいは異なる材
料からなりそれぞれの薄膜部材の厚さの比がそれ
ぞれの薄膜での音速の比に等しい比を有するよう
に形成された場合の振動部位に於ける厚みたて振
動の応力分布を示した図であり、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
はそれぞれ基本振動、２次、３次、４次の高次振
動についての応力分布イ，ロ，ハ，ニである。第
５図において４１は圧電薄膜、４２，４３は薄膜
部材、４４，４５は電極である。薄膜部材４２，
４３のそれぞれの外側で応力は零であり、応力が
零の点の左右で応力の向きは逆である。第５図Ｂ
及びＤからわかるようにこのような多層構造では
第２次、第４次のような偶数の次の高次振動に於
いて圧電薄膜中すなわち電極の間の応力の積分は
零となり、したがつて偶数次の高次振動は励振さ
れない。また第５図Ａからわかるようにこのよう
な多層構造では基本振動に於いて圧電薄膜が応力
最大の付近に位置しているため、従来のような圧
電薄膜の一方の面だけに薄膜部材を有する構造に
比べさらには両面の薄膜の厚さが異なる場合に比
べても大きな電気機械結合係数が得られる。第５
図では薄膜部材４２，４３が等しい厚さの同一の
材料からなるか、あるいは異なる材料からなりそ
れぞれの薄膜部材の厚さの比がそれぞれの薄膜で
の音速の比に等しい比を有する場合を示したが、
第４図に示したように薄膜部材の厚さについて上
記のように限定しない場合でも薄膜部材の厚さが
比較的近い範囲では第３図のごとく多層構造とす
ることにより、第１図に示した従来の構造に比べ
て偶数次の高次振動を抑制し、基本振動の電気機
械係合係数が大きな薄膜圧電圧電振動子が得られ
る。

次に第６図は上記のような本発明の原理及び特
徴をより詳しく説明するために第３図の構造の薄
膜圧電振動子について、一例として薄膜３３及び
３４が等しい厚さを有するSiO₂であつて、圧電
薄膜３５がZnOである場合の電気機械結合係数k²
を理論式から求めたものである。第６図において
横軸は薄膜３３及び３４の厚さの和t′と圧電薄膜
３５の厚さｔとの比、縦軸は電気機械結合係数k²
であり曲線に記した数字は振動の次数を示す。第
６図から明らかなように、第３図の構造の薄膜圧
電振動子においては第２次、第４次などの偶数次
の高次振動はまつたく励振されていないばかりで
なく、たとえばt′／ｔ＞0.2のように圧電薄膜の上
下の薄膜を厚くした場合の基本振動の電気機械結
合係数k²は従来の構造では第２図のように急速に
減少するの対し、第３図の構造では非常にゆるや
かに減少するという特長を有する。圧電薄膜の上
下の薄膜の厚さをたとえばt′／ｔ＞0.2のように厚
くすることは特に振動子の厚さが薄いことが要求
される300MHz以上の周波数において振動子の機
械的強度を高める点で有利であり、また特にシリ
コン膜を用いるとさらに振動子の音響的なクオリ
テイ・フアクタＱを大きくする点で有利である
が、本発明による第３図の構造の薄膜圧電振動子
では上記のような特長を有する結果、圧電薄膜の
上下の薄膜の厚さを厚くした場合でも基本振動の
電気機械結合係数が大きく、高次振動による不要
応答の小さい薄膜圧電振動子が実現できる。また
圧電薄膜の上下の薄膜が薄い場合にも、従来の構
造では第４次の高次振動が強く励振されるのに対
し、本発明による第３図の構造においては第４次
の高次振動は完全に抑制される。特に第６図にお
いてt′／ｔ〜0.33付近では第３次、第５次の高次
振動の電気機械結合係数は共に小さく、かつ基本
振動の電気機械結合係数は最大となる。したがつ
て圧電薄膜の上下の薄膜が薄い場合にも基本振動
の電気機械結合係数が大きく、高次振動による不
要応答の小さい薄膜圧電振動子が実現できる。

以上のように、本発明に従えば基本振動の電気
機械結合係数が大きく、高次振動による不要応答
の小さい薄膜圧電振動子が実現でき、したがつて
本発明の薄膜圧電振動子を用いることにより高周
波側の不要応答が小さく、広い比帯域幅のフイル
タ及び制御範囲の広い発振器を提供することがで
きる。

以下実施例に従つて本発明を具体的に説明す
る。

実施例１表面が（100）面であるようなシリコン基板に
スパツタ法を用いて0.75μｍのSiO₂薄膜を形成し
た。SiO₂薄膜上にCrを下地としてAuを蒸着した
後、フオトリグラフイにより部分電極を形成し、
次にスパツタリング法を用いて5μｍのZnO薄膜を
形成した。さらにZnO薄膜の上にリフトオフによ
つてAlの部分電極を形成した後、スパツタリン
グ法を用いて0.75μｍのSiO₂薄膜を形成した。次
にシリコン基板の裏面に形成したSi₃N₄薄膜をマ
スクとした振動部位にあたるシリコン基板をエチ
レンジアミン、ピロカエコール及び水からなるエ
ツチング液を用いてエツチングし、空孔を形成し
た。上記の工程によつて第３図の構造の薄膜圧電
振動子を製造した。この薄膜圧電振動子のインピ
ーダンス特性は第７図のようであり、インピーダ
ンス特性から求めた基本振動の電気機械結合係数
k²は第６図の値に一致し、0.08であつた。また第
５図からわかるように、偶数次の高次振動は励振
されず、第３次及び第５次の高次振動が非常に小
さく励振されるのみであつた。

実施例２表面が（100）面であるようなシリコン基板に
ホウ素を10²⁰／cmの濃度にドープしたシリコン薄
膜を21.2μｍの厚さにエピタキシヤル成長させた。
このシリコン薄膜の上に実施例１と同様の工程で
Au／Cr電極、厚さ5μｍのZnO薄膜、Al電極を順
に形成し、さらにスパツタリング法を用いて1.5μ
ｍのSiO₂薄膜を形成した。シリコン、SiO₂の音
速はそれぞれ8430ｍ／ｓ、5960ｍ／ｓであり、し
たがつてシリコン薄膜の厚さに対するSiO₂薄膜
の厚さの比は音速の比0.71に等しい。次にシリコ
ン基板の裏面に形成したSi₃N₄薄膜をマスクとし
て振動部位にあたるシリコン基板をエチレンジア
ミン、ピロカテコール及び水からなるエツチング
液によつて除去し空孔を形成した。上記のような
工程によつて第３図の構造の薄膜圧電振動子を製
造した。この薄膜圧電振動子のインピーダンス特
性は第８図のようであり、インピーダンス特性か
ら求めた基本振動の電気機械結合係数k²は第６図
の値に一致し、0.077であつた。また第８図から
わかるように偶数次の高次振動はまつたく例振さ
れず、第５次の高次振動が小さく例振され、第３
次の高次金銅は例振されるが極めて小さい。

以上のように本発明に従えば、基本振動の電気
機械結合係数が大きく高次振動による不要応答が
小さいという実用極めて重要な特長を有する薄膜
圧電振動子が実現でき、したがつて本発明の薄膜
圧電振動子を使用することにより高周波側での高
次振動による不要応答が小さく、広い比帯域幅の
フイルタ及び制御範囲の広い発振器を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の薄膜圧電振動子の構造を示す断
面図であり、１１はシリコン、水晶などからなる
基板、１２はエツチングによつて基板に形成した
空孔、１３は薄膜部材、１４は圧電薄膜、１５，
１６は対向する電極である。第２図は第１図の構
造の薄膜圧電振動子の電気機械結合係数k²の理論
曲線を示す図である。図中の曲線に記した数字は
振動の次数を示す。第３図は本発明の薄膜圧電振
動子の構造を示す断面図であり、３１はシリコ
ン、水晶などからなる基板、３２はエツチングに
よつて基板に形成した空孔、３３及び３４は薄膜
部材、３５は圧電薄膜、３６，３７は対向する電
極である。第４図は第３図の構造の薄膜圧電振動
子について薄膜部材３４の厚さt₃₄と薄膜部材３
３の厚さt₃₃の比t₃₄／t₃₃に対する電気機械結合係
数k²の変化を示す図である。図中の曲線に記した
数字は振動の次数を示す。第５図は本発明の薄膜
圧電振動子の振動部位における応力分布した図で
ある。図中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいてイ，ロ，
ハ，ニはそれぞれ基本振動、第２次、第３次、第
４次の振動の応力分布である。図において４１は
圧電薄膜、４２，４３は薄膜部材、４４，４５は
電極である。第６図は本発明の薄膜圧電振動子の
電気機械結合係数k²の理論曲線を示す図。図中の
曲線に記した数字は振動の次数を示す。第７図、
第８図はそれぞれ本発明の実施例１、実施例２の
薄膜圧電振動子のインピーダンス特性を示した図
である。横軸はＭHz単位で表わした周波数であ
り、縦軸はデシベル単位で表わしたインピーダン
スの相対値である。

Claims

【特許請求の範囲】１無機材料の薄膜部材とこの薄膜部材の上に電
極、圧電薄膜、電極、無機材料の薄膜部材の順で
形成されている多層構造を有する薄膜圧電振動子
であつて、圧電薄膜をはさんでその上下に形成す
る該無機材料の薄膜部材は等しい厚さを有する同
一の材料からなり、これら薄膜部材の厚さの合計
が圧電薄膜の厚さの0.2倍より大きいことを特徴
とする薄膜圧電振動子。２無機材料の薄膜部材とこの薄膜部材の上に電
極、圧電薄膜、電極、無機材料の薄膜部材の順で
形成されている多層構造を有する薄膜圧電振動子
であつて、圧電薄膜をはさんでその上下に形成す
る該無機材料の薄膜部材はそれぞれ異なる材料か
らなり、しかも上下の該薄膜部材の厚さの比はそ
れぞれの薄膜部材の中の音速の比に等しいことを
特徴とする薄膜圧電振動子。