JPS5829211A - 薄膜圧電振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧電薄膜を用いたＶＨＦ、ＵＨＦ用高周波圧電
振動子に関し、特に薄膜部材と、圧電薄膜どの組合せか
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、基本的に株圧電性
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、フィルタや発振器等にも利用でき、
Ｌ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ックの平行平面
研磨加工が非常に犀しくなり、したがってこれらの材料
を用いて基本共振周波数で５０Ｍ１ｌｚ以上の厚み振動
圧電振動子を蓋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ック等の比較的厚い＆向の厚
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・・・・・・笠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ｎ
ている。しかし第０次の高調波を用いた場合の電気機械
結合係数ｋｎは基本波の電気機械結合係数に□の／ｎ２
倍となり、このとき共振ったのでは電気機械結合係数の
減少壷こ伴ってフィルタの比帯域幅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の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ってやはり減少する。この方
法蒼こ於いても基板を薄（することは非富に困難であり
、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
せたとしてもフィ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＊ｉａ子を得る方
法として、シリコン基板上に蒸着等によって電極（公、
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）のノーで形
成し、この振＃ＩＪ部分に対応する部分の基板をエツチ
ングによっ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Ｗ１．膜からなり、外縁部を基板に
よっ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４５−２５５７９）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
、かって広い比帯域のフィルターをＩＩＭすることがで
きる。しかしこの薄膜圧電振励子は圧電薄膜としてＣｄ
ＳめるいはＣｄＴｅを用いているため音響的クォリティ
ファクター（Ｑ）が小さく、温匿係数が大きく、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４５−２５５７９においてはシリコン基板上に５ｉ
Ｑｚ薄Ｍ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
グによって除去し、振動部分が８ｉ０ｚ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
って支持された構造の薄膜圧電振動子も開示されている
０８ｉＯｚ薄膜を形成した効果はこの８ｉ０２薄膜の部
分でエツチングを止める効果の他に、当核振動子の機械
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゛１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はエツチングによって基板に形
成した空孔である。１３は薄ｇ、１４は圧電薄膜、１５
．１６は圧電薄膜の両面に対間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に２
は薄［１３の厚さｔ′と圧電薄＠１４の厚さｔの比によ
って変化する。

ら求めるとｋは薄１１１ｉ％１３の厚さｔ　と圧電薄［
１４ｔ′ の厚さの比べにしたがって第２図のように変化ｔ′ する。第２図に於いて横軸は厚さの比４縦軸は電気機械
結合係数にであり、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
圧延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の寥　　　。

厚さが十分薄いたとえば、／ｌ＜　０．２であるような
範囲で大きな一気懺械粘合係数が得られ、したかって比
帯域幅の広いフィルタ或いは制御範囲の広い発振器とじ
で利用できる。しかし第３次或いは第４次の尚調阪蛍動
も比較的大きな′畦気機械結合保数を有すにとが＃４２
図から予想され、したかって搗周ＩｊＬ饋に第３次或い
は第４次の＾―波共堀に伴う不要応答が生じるという欠
点がある。一方、動子部分の機械的強度を高める上で有
利であるが、第２図かられかるように薄膜１３の厚さｔ
の増大に伴って基本振動の電気機械結合係数は減少し、
さらに第２次の高調波振励の電気機械結合係数が増大す
る。したがって、薄膜１３の厚さが厚い場合には、フィ
ルタの比帯域鴨が狭くなる、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＃ｉ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゛−振動子を
用いれば誦周波側齋こ不安応答がなく、広い比帯域幅を
有するフィ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・−振動子の最たる特徴は振動部位
が薄ＦＩＪ＆部材−電極−圧電薄膜一電極一薄膜部材か
ら成る多層構造を有する点にある。

以下に本発明の詳細な説明する。８ｇ３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はエツチングによって基板に形成した空孔である。

３３．３４は薄膜部材。

３５は圧′４＃＃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テング液を使用すれば、（１０
０）面のエツチング速度に比較して（１１１）而のエツ
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
不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、シたがっ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ＺｎＵ。

ＣｄＳ　、ルーなどの結晶系が六方晶系の圧電材料やＰ
ｂＴｉＯｓ　、　ＰＺＴ　、　ＢａＴｉＯｓなど種々ノ
圧電材料を使用することができる。なかでもＺｎＯはス
パッタリング法、ＣＶ曜、イオン・ブレーティング法な
どによって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５ｉ０２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係数を
有するのに対し、８ｉＱｚ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、したがって温度依存性の小
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、音響的クォリティ・ファクタ（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３　００　ＭＨｚ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
機械的強度を尚めることができる。また特に損失の小さ
いフィ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
きな音響的クォリティ・ファクタ（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
Ｓｉ０ｇ薄膜を使用する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Ｓｋ
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にと該薄膜の
厚さの関係を＠４〜６図を用いて説明する〇 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ＳｉＯ！薄
膜であってこの２つの薄膜の合計の厚さが６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ｔ３）’ｔ３３を変化させた場合の
電気機械結合係数に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。１λ３３＝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って基本振動の
電気機械結合係数が急速に増大し、偶数次の高次振動の
一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勢しくなったときに基本振
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１１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っ例えば薄膜部材３３が音速８４３
０／のシリコン薄膜であり、薄膜部材３４が音速５９６
０／のＳｉ□ｚ薄膜であれば厚さの比１ン　が０．７１
に尋しいどき３３ 憂こ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。

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３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
一の材料カーらなるか、あるいは巣なる材料力）らなり
それぞれの薄膜部材の厚さの比がぞＪＬ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赳場合の振
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，１）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、口、ハ、二で
ある。第５図憂こおいて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゜４
３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。＠５図Ｂ及びＤかられか
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、したがって偶数次の高次振
動は励振されない。また第５図Ａかられかるようにこの
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瘉こ比べさらには
両面のＷｉ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４２．４
３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ｍ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（こ比べで偶数次の高次振動
を抑制し、基本振動の電気機械結合係数が大きな薄膜圧
源振動子が得られる。

次に＠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゛峨振動子
について、−例として薄膜３３及び３４が等しい厚さを
有する５ｉＯｚ薄膜でありて、圧電薄膜３５がＺｎＯで
ある場合の電気機械結合係数ｋを理編式から求めたもの
である。＠（ｌＪｆこおいて横軸は薄＃ｓ３３及び３４
の厚さのｉｔと圧電薄膜３５の厚さｔとの比、縦軸は電
気機械結合係数にであり曲線に記した数字は振動の次数
を示す。第６図から明ら力）なように−第３図の構造の
薄膜圧Ｗ＋振振動においては第２次、第４次などの偶数
次の高次振動はまったく励振されないば７１）りでなく
、たとえば／、＞　０．２のように圧′＃Ｉｔ擲ｍの上
下の薄膜を厚くした場合の基本伝動の電気機械結合係数
には従来の構造では第２図のように急速に減少するのに
対し、第３図の構造では非電にゆるやかに減少するとい
う特長を有する０圧電薄膜の上下の薄膜の厚さをたとえ
ば／、＞　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３　００　Ｍ）ｉｚ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ｉζシリコン膜を用いるとさらに振動子の
音響的なりオリティ・ファクタ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′ｆｌＬ
振−子では上記のような特長を有する結果、圧′−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、高次振動による不殻応答の小さ
い薄膜圧１１１ｔ振動子が笑曵できる〇また圧電薄膜の
上下の薄膜が薄い場合にも、従来の構造では＃！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次の高次振励は完全に抑制され
る。特に第６図において／ｌ〜０．３３Ｂ付近では第３
次、第５次の一次ｕｉ励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
たがって圧電薄膜の上下の薄膜か薄い場合にも一１Ｉｉ
不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、したがっ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
い比帯域幅のフィ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。

以下実施例に従って本発明を具体的に説明Ｔ心。

〔実施例ｌ〕

表向が（１００）面であるようなシリコン基板にスパッ
タリング法を用いて０．７５μｍｕ）Ｓｉ０２薄膜を形
成した０８ｉＱ２薄膜上にＣｒを下地としてＡｕを蒸着
した後、フォトリングラフィにより部分電極を形成し、
次にスパッタリング法を用いて５μｍＯＪ　ＺｎＯ薄ｗ
１８形成した。さらにＺｎＯ薄膜の上にリフトオフ・に
ょってＡＩの部分［極を形成した後、スパッタリング法
を用いて０．７５／ｊｍＯ）ＳｉＱｚ薄験を形成した。

次にシリコン基板の裏向に形成した８ｉｓＮｎ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５．ｒロ力テ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
よって第３図の構造の薄膜圧・−振動子を製造した。こ
り薄膜圧電振動子のインピーダンス特性はＷ、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
気機械結合係数には第６図の値に一致し、０．０８であ
った０また第５図力）られかるように、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ったＯ 〔実施例２〕 表面が（ｉｏｏ）面であるようなシリコン基板膜を２．
１２μｍの厚さにエピタキシャル成長させた。

このシリコン薄膜の上に実施例１と同様の工程で９’　
　ａｍ、厚さ５．ａｍのＺｎＯ薄膜、Ａ１％他ｆＪＩＲ
ｒ に形成し、さらにスパッタリング法を用いて１．５μｍ
ＯＪ　８ｉ０ｚ　ｔｌｌ［ｅ形成した。シリコン、　１
９ｉＱｚのｉ速はそれぞれ８４３０”／　、５９６０”
ンであり、した８　　　　　　　　　　　Ｓ かってシリコン薄膜の厚さに対する５ｉ０２Ｎ［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Ｓ　ｉ　ＪＩＮ４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）′ミン、ピ
ロカテコール及び水からなるエツチング液によって除去
し空孔を形成した。上記のような工程によって第３図の
構造の薄膜圧電振動子を装造した。この＊ｍ圧’＠ｆｉ
ｉ励子のインピーダンス特注は第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
数に２は第６図の１直に一致し、’　ｏ、ｏ　７７であ
った・また第８図かられかるように偶数次の高次振動は
まったく励振されず、第５次の高次振動が小さく励振さ
れ１．ｇ３次の高次振動は励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′シ気機械結
合保畝が大きく高次振動による不要応答が小さいという
実用上極めてＩＬ蒙ム特長を有１１趨換圧電ＩｊｊＲ動
子が実現でき、したがって本姑明の薄膜圧ｖＩＬ振動子
を使用することにより一周波間での高次振動による不要
応答が小り＜、広い比帯域幅のフィ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】

ｔＨ１図は従来の薄膜圧ｗＬ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
はエツチングにょっ°Ｃ基板に形成した空孔、１３は薄
膜部材、１４は圧′区薄膜、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一気機械結合
係数にの理論面Ｍを示す−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−動子の構造を示す断面図で
あり、３１はシリコン、水晶などかりなる基板、３２は
エツチングによっ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。 ！４図は＠３図の構造の薄膜圧電振動子について薄膜部
材３４の厚さ口４と薄膜１部材３３の厚さｔｓｓの比ｔ
３７　に対する電気機械結合係数に２のｔｓｓ 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図は不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。 ＤＩＩこおいてイ、口、ハ、二はそれぞれ基本振動、＠
２次、第３矢、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ｍ部材、４
４．４５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に
２の一輪曲線を示す図。１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・不発明の実施例１１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ＭＨ１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。 ’４２回 ７１ 第３　図 ３２ 第　４　図 へ／１３３ 第５回 イ 第６図 ７ｔ 第７図 贋し度数（Ａ／ｆＨｚ） 第８図 Ｏ勿０１θ００　　　灼に　改紗０　２５θθ、〜目！
、＆　　（んイＨ乙）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、薄膜部材とこの薄膜部材の上に電極、圧電薄膜、電
   極、薄膜部材の順で形成さイしている多層構造を有する
   ことを特徴とする薄膜圧′ＷＩＩＬ振励子。 ２、圧電薄膜をはさんで、その上下に形成する薄膜部材
   は等しい厚さを有する同一の材料からなることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の薄膜圧電振動子。 ３、圧−薄膜をはさんでその上下に形成する薄膜部材は
   それぞれ異なる材料からなり、しかも上下の薄膜の厚さ
   の比は、それぞれの薄膜中の音速の比に等しいことを特
   徴とする特許ｄ求の範囲第１項記載の薄膜圧電振動子。