JP2000278078A - 圧電共振子 - Google Patents
圧電共振子Info
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- JP2000278078A JP2000278078A JP11086449A JP8644999A JP2000278078A JP 2000278078 A JP2000278078 A JP 2000278078A JP 11086449 A JP11086449 A JP 11086449A JP 8644999 A JP8644999 A JP 8644999A JP 2000278078 A JP2000278078 A JP 2000278078A
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
- H03H9/46—Filters
- H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/56—Monolithic crystal filters
- H03H9/564—Monolithic crystal filters implemented with thin-film techniques
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】温度変化率が小さく、かつ従来のＳｉＯ2 から
なる支持膜では得られなかった高い共振周波数を有する
圧電共振子を提供する。 【解決手段】振動空間Ａを有する基体１と、該基体１表
面に形成され、振動空間Ａを被覆する支持膜２と、圧電
体薄膜４の両面に電極５、６を形成してなり、振動空間
Ａと対向する支持膜２の位置に配置された振動体３とを
具備するとともに、支持膜２がＳｉＯ2 膜８とダイアモ
ンド膜９との積層膜であり、圧電体薄膜４がｃ軸配向し
たＺｎＯ膜であることが望ましい。
なる支持膜では得られなかった高い共振周波数を有する
圧電共振子を提供する。 【解決手段】振動空間Ａを有する基体１と、該基体１表
面に形成され、振動空間Ａを被覆する支持膜２と、圧電
体薄膜４の両面に電極５、６を形成してなり、振動空間
Ａと対向する支持膜２の位置に配置された振動体３とを
具備するとともに、支持膜２がＳｉＯ2 膜８とダイアモ
ンド膜９との積層膜であり、圧電体薄膜４がｃ軸配向し
たＺｎＯ膜であることが望ましい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電共振子に関し、
圧電体薄膜の両面に電極を形成した振動体の厚み縦振動
の共振を利用した圧電共振子に関するものである。
圧電体薄膜の両面に電極を形成した振動体の厚み縦振動
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】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。
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。
【０００３】特に、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、Ｓ
ＡＷレゾネーターを用い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形の電極間に印加さ
れる高周波電界と表面弾性波の共振を用いており、１Ｇ
Ｈｚ程度までの共振周波数を持つフィルターが作製され
ている。
面を伝わる音響波である表面弾性波の共振を用いる、Ｓ
ＡＷレゾネーターを用い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形の電極間に印加さ
れる高周波電界と表面弾性波の共振を用いており、１Ｇ
Ｈｚ程度までの共振周波数を持つフィルターが作製され
ている。
【０００４】しかしながら、ＳＡＷフィルターは、その
櫛形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
距離がサブミクロンオーダーとなり、電極作製が非常に
困難であった。
櫛形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
距離がサブミクロンオーダーとなり、電極作製が非常に
困難であった。
【０００５】今後、無線通信に用いられる電磁波の周波
数は、ますます高くなるものと予想され、既に、数ＧＨ
ｚ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。
数は、ますます高くなるものと予想され、既に、数ＧＨ
ｚ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。
【０００６】こうした要求に対して、新たに、圧電性を
示す薄膜の共振を利用した共振子が提案されている。こ
れは、入力される高周波電気信号に対して、圧電体薄膜
が振動を起こし、その振動が、圧電体薄膜の厚さ方向に
おいて共振を起こすことを用いた共振子である。
示す薄膜の共振を利用した共振子が提案されている。こ
れは、入力される高周波電気信号に対して、圧電体薄膜
が振動を起こし、その振動が、圧電体薄膜の厚さ方向に
おいて共振を起こすことを用いた共振子である。
【０００７】この共振子は、表面弾性波ではなく固体中
を伝播する弾性波を用いることから、バルク・ アコース
ティック・ ウェーブ・ レゾネーター（以下、ＢＡＷＲと
いう）と呼ばれている。このＢＡＷＲを構成する圧電体
薄膜の膜厚の制御は、サブミクロン以下の精度で可能で
あるため、ＳＡＷフィルターに比べて、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。
を伝播する弾性波を用いることから、バルク・ アコース
ティック・ ウェーブ・ レゾネーター（以下、ＢＡＷＲと
いう）と呼ばれている。このＢＡＷＲを構成する圧電体
薄膜の膜厚の制御は、サブミクロン以下の精度で可能で
あるため、ＳＡＷフィルターに比べて、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。
【０００８】従来のＢＡＷＲとしては、図２に示すよう
に、基体１１と、該基体１１表面に形成された支持膜１
３と、該支持膜１３上に形成されたバッファー層１５
と、該バッファー層１５上に形成された下側電極１６
と、該下側電極１６上に形成された圧電体薄膜１７と、
該圧電体薄膜１７上に形成された一対の上側電極１８と
からなるものである（ＵＳＰ４，３２０，３６５参
照）。支持膜１３は、振動空間Ａを被覆するように基体
１１上面に形成されている。
に、基体１１と、該基体１１表面に形成された支持膜１
３と、該支持膜１３上に形成されたバッファー層１５
と、該バッファー層１５上に形成された下側電極１６
と、該下側電極１６上に形成された圧電体薄膜１７と、
該圧電体薄膜１７上に形成された一対の上側電極１８と
からなるものである（ＵＳＰ４，３２０，３６５参
照）。支持膜１３は、振動空間Ａを被覆するように基体
１１上面に形成されている。
【０００９】従来のＢＡＷＲでは、圧電体薄膜材料とし
てＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ等が用いられ、基体材料とし
て主にＳｉが用いられ、電極材料としてＡｌ、Ａｕが用
いられており、圧電体薄膜を支える支持膜としてはアモ
ルファスＳｉＯ2 が用いられてきた。
てＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ等が用いられ、基体材料とし
て主にＳｉが用いられ、電極材料としてＡｌ、Ａｕが用
いられており、圧電体薄膜を支える支持膜としてはアモ
ルファスＳｉＯ2 が用いられてきた。
【００１０】例えば、特開昭６０−６８７１０号公報に
は、圧電体薄膜材料としてＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ、基
体材料としてＳｉ、電極材料としてＡｌ、Ａｕ、支持膜
材料としてアモルファスＳｉＯ2 が用いられている。
は、圧電体薄膜材料としてＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ、基
体材料としてＳｉ、電極材料としてＡｌ、Ａｕ、支持膜
材料としてアモルファスＳｉＯ2 が用いられている。
【００１１】支持膜としてアモルファスＳｉＯ2 が用い
られているが、これはアモルファスＳｉＯ2 がＳｉ基板
上に容易に作製できることと、文献（Electronics Lett
ersvol.17, No.14, pp507-509(1981)）に報告されてい
るように、アモルファスＳｉＯ2 が圧電体薄膜の弾性的
温度係数と逆符号の温度係数を持つため、共振子の共振
周波数の変化を補償できるためである。
られているが、これはアモルファスＳｉＯ2 がＳｉ基板
上に容易に作製できることと、文献（Electronics Lett
ersvol.17, No.14, pp507-509(1981)）に報告されてい
るように、アモルファスＳｉＯ2 が圧電体薄膜の弾性的
温度係数と逆符号の温度係数を持つため、共振子の共振
周波数の変化を補償できるためである。
【００１２】また、上記文献には、ＺｎＯを圧電体薄膜
として用いた場合、ＺｎＯに対するＳｉＯ2 の膜厚比
が、基本波で０．５の時、２次波で０．２５、０．７
５、１．２５の時零温度係数を得ることができ、かつ高
い電気機械結合係数ｋｔが得られることが報告されてい
る。
として用いた場合、ＺｎＯに対するＳｉＯ2 の膜厚比
が、基本波で０．５の時、２次波で０．２５、０．７
５、１．２５の時零温度係数を得ることができ、かつ高
い電気機械結合係数ｋｔが得られることが報告されてい
る。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このＢ
ＡＷＲは、振動の伝播によって共振を得ているため、圧
電体薄膜の振動特性はもとより、この圧電体薄膜を支え
る支持膜の振動特性がレゾネーターの特性に大きく影響
する。
ＡＷＲは、振動の伝播によって共振を得ているため、圧
電体薄膜の振動特性はもとより、この圧電体薄膜を支え
る支持膜の振動特性がレゾネーターの特性に大きく影響
する。
【００１４】即ち、従来の１ＧＨｚ以下の周波数で用い
るＢＡＷＲではＺｎＯの膜厚が２．５μｍ以上となる
が、上記文献に報告されているように、零温度係数を実
現するためにＳｉＯ2 を用いると、アモルファスＳｉＯ
2 の膜厚はＺｎＯの膜厚の０．２５〜１．２５倍である
が、ＳｉＯ2 の膜厚が小さすぎると支持膜としての強度
が低下し、ＢＡＷレゾネーターとしては使用できないた
め、現実に使用されるＳｉＯ2 の膜厚は２〜３μｍ程度
と厚いものであった。
るＢＡＷＲではＺｎＯの膜厚が２．５μｍ以上となる
が、上記文献に報告されているように、零温度係数を実
現するためにＳｉＯ2 を用いると、アモルファスＳｉＯ
2 の膜厚はＺｎＯの膜厚の０．２５〜１．２５倍である
が、ＳｉＯ2 の膜厚が小さすぎると支持膜としての強度
が低下し、ＢＡＷレゾネーターとしては使用できないた
め、現実に使用されるＳｉＯ2 の膜厚は２〜３μｍ程度
と厚いものであった。
【００１５】そして、ＳｉＯ2 は非晶質であることか
ら、振動の減衰、すなわち挿入損失が大きく、零温度係
数を得るために膜厚を大きくすると音響媒体としてのパ
スが大きくなるため、損失が大きくなるという問題があ
った。
ら、振動の減衰、すなわち挿入損失が大きく、零温度係
数を得るために膜厚を大きくすると音響媒体としてのパ
スが大きくなるため、損失が大きくなるという問題があ
った。
【００１６】また、現在主流になりつつある２ＧＨｚの
周波数で動作させるためには、ＺｎＯの膜厚は１．３μ
ｍ程度となるが、ＺｎＯの弾性的温度係数を補償し、零
温度係数を実現するためにはＳｉＯ2 は１μｍ以下の膜
厚が要求され、挿入損失は低減されるが、非晶質である
ＳｉＯ2 を１μｍ以下で安定に形成するのは困難であ
り、共振子自体の製造が困難であった。一方、ＺｎＯの
膜厚を１．３μｍ程度とし、ＳｉＯ2 を厚くすると、Ｓ
ｉＯ2 の弾性的性質が支配的になり、損失が大きくな
り、また、温度係数が大きくなり、さらに、高次モード
になるため電気機械結合係数が小さくなるという問題が
あった。
周波数で動作させるためには、ＺｎＯの膜厚は１．３μ
ｍ程度となるが、ＺｎＯの弾性的温度係数を補償し、零
温度係数を実現するためにはＳｉＯ2 は１μｍ以下の膜
厚が要求され、挿入損失は低減されるが、非晶質である
ＳｉＯ2 を１μｍ以下で安定に形成するのは困難であ
り、共振子自体の製造が困難であった。一方、ＺｎＯの
膜厚を１．３μｍ程度とし、ＳｉＯ2 を厚くすると、Ｓ
ｉＯ2 の弾性的性質が支配的になり、損失が大きくな
り、また、温度係数が大きくなり、さらに、高次モード
になるため電気機械結合係数が小さくなるという問題が
あった。
【００１７】上記課題を解決するためには、アモルファ
スＳｉＯ2 の膜厚をできる限り小さくし、零温度係数を
実現するとともに、支持膜の強度を大きくし、さらに温
度係数を極めて小さくする必要があった。
スＳｉＯ2 の膜厚をできる限り小さくし、零温度係数を
実現するとともに、支持膜の強度を大きくし、さらに温
度係数を極めて小さくする必要があった。
【００１８】
【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、該基体表面に形成され、前記
振動空間を被覆する支持膜と、該支持膜上に、前記支持
膜を介して前記振動空間と対向するように形成され、圧
電体薄膜の両面に電極を形成してなる振動体とを具備す
るとともに、前記支持膜がＳｉＯ2 膜とダイアモンド膜
との積層膜であることを特徴とする。ここで、ダイアモ
ンド膜が振動空間に面していることが望ましい。また、
圧電体薄膜がｃ軸配向したＺｎＯ膜であることが望まし
い。
振動空間を有する基体と、該基体表面に形成され、前記
振動空間を被覆する支持膜と、該支持膜上に、前記支持
膜を介して前記振動空間と対向するように形成され、圧
電体薄膜の両面に電極を形成してなる振動体とを具備す
るとともに、前記支持膜がＳｉＯ2 膜とダイアモンド膜
との積層膜であることを特徴とする。ここで、ダイアモ
ンド膜が振動空間に面していることが望ましい。また、
圧電体薄膜がｃ軸配向したＺｎＯ膜であることが望まし
い。
【００１９】
【作用】本発明の圧電共振子では、ＳｉＯ2 膜とダイア
モンド膜の２層積層体を支持膜として用いたので、高強
度のダイアモンド膜により支持膜としての強度を向上す
ることができるとともに、ダイアモンド膜は共振周波数
の温度変化率が極めて小さいため、支持膜としての共振
周波数の温度変化率がＳｉＯ2 膜に支配され、温度変化
率がＳｉＯ2 膜とほぼ同等で、高強度の支持膜を得るこ
とができる。
モンド膜の２層積層体を支持膜として用いたので、高強
度のダイアモンド膜により支持膜としての強度を向上す
ることができるとともに、ダイアモンド膜は共振周波数
の温度変化率が極めて小さいため、支持膜としての共振
周波数の温度変化率がＳｉＯ2 膜に支配され、温度変化
率がＳｉＯ2 膜とほぼ同等で、高強度の支持膜を得るこ
とができる。
【００２０】即ち、例えば、ＺｎＯからなる圧電体薄膜
は正の温度係数を有し、アモルファスＳｉＯ2 は負の温
度係数を有するが、本発明の圧電共振子では、支持膜が
ＳｉＯ2 膜とダイアモンド膜の２層積層体であり、ダイ
アモンド膜自体の弾性定数が大きいため弾性的温度変化
が１４ｐｐｍ／℃と極めて小さいため、ダイアモンド膜
の共振周波数の温度変化率が殆ど零に近く、このため支
持膜の温度係数はＳｉＯ2 膜の温度係数に支配されて負
となり、正の温度係数を有するＺｎＯからなる圧電体薄
膜と、負の温度係数を有する支持膜により、振動する部
分（支持膜および振動体）の共振周波数の温度係数を零
に近づけることができる。
は正の温度係数を有し、アモルファスＳｉＯ2 は負の温
度係数を有するが、本発明の圧電共振子では、支持膜が
ＳｉＯ2 膜とダイアモンド膜の２層積層体であり、ダイ
アモンド膜自体の弾性定数が大きいため弾性的温度変化
が１４ｐｐｍ／℃と極めて小さいため、ダイアモンド膜
の共振周波数の温度変化率が殆ど零に近く、このため支
持膜の温度係数はＳｉＯ2 膜の温度係数に支配されて負
となり、正の温度係数を有するＺｎＯからなる圧電体薄
膜と、負の温度係数を有する支持膜により、振動する部
分（支持膜および振動体）の共振周波数の温度係数を零
に近づけることができる。
【００２１】また、従来のＳｉＯ2 からなる支持膜で
は、充分な機械的強度を得るために、薄層化の限界があ
り、例えばＺｎＯからなる圧電体薄膜とＳｉＯ2 からな
る支持膜の組み合わせで、共振周波数が１．５ＧＨｚを
越える圧電共振子は得られなかったが、本発明のＳｉＯ
2 膜とダイアモンド膜の２層積層体を支持膜として用い
ると、ダイアモンド膜自体が高強度であるため、ＳｉＯ
2 膜を薄層化しても支持膜としての構造を維持すること
ができる。
は、充分な機械的強度を得るために、薄層化の限界があ
り、例えばＺｎＯからなる圧電体薄膜とＳｉＯ2 からな
る支持膜の組み合わせで、共振周波数が１．５ＧＨｚを
越える圧電共振子は得られなかったが、本発明のＳｉＯ
2 膜とダイアモンド膜の２層積層体を支持膜として用い
ると、ダイアモンド膜自体が高強度であるため、ＳｉＯ
2 膜を薄層化しても支持膜としての構造を維持すること
ができる。
【００２２】さらに、ダイアモンド膜は、ＺｎＯ圧電体
薄膜とＳｉＯ2 支持膜により構成される振動部の音速と
比較して、５倍程度の音速を持つため、ＺｎＯおよびＳ
ｉＯ2 の合計厚みが１μｍ程度の膜厚の時、ダイアモン
ド膜は５μｍ程度で良い。この時、ＺｎＯ／ＳｉＯ2 ／
ダイアモンドにより構成される振動部に３次の定在波が
立ち、電気機械結合係数が大きくなる。
薄膜とＳｉＯ2 支持膜により構成される振動部の音速と
比較して、５倍程度の音速を持つため、ＺｎＯおよびＳ
ｉＯ2 の合計厚みが１μｍ程度の膜厚の時、ダイアモン
ド膜は５μｍ程度で良い。この時、ＺｎＯ／ＳｉＯ2 ／
ダイアモンドにより構成される振動部に３次の定在波が
立ち、電気機械結合係数が大きくなる。
【００２３】また、大きな電気機械結合係数を得るため
には、ダイアモンド膜の膜厚が小さく、ＺｎＯ／ＳｉＯ
2 により構成される振動部に２次の定在波が立つことが
望ましい。ダイアモンド膜の厚みが１μｍ程度では電気
機械結合係数を殆ど減少させることなく、ＺｎＯ／Ｓｉ
Ｏ2 により構成される振動部に最も強く励振される２次
波を発生させることができる。ダイアモンド膜を用いる
ことで、支持膜としての機械的強度を向上しつつ、限界
膜厚を小さくできる。このため、従来技術による場合と
比較して、高い共振周波数を実現できる。
には、ダイアモンド膜の膜厚が小さく、ＺｎＯ／ＳｉＯ
2 により構成される振動部に２次の定在波が立つことが
望ましい。ダイアモンド膜の厚みが１μｍ程度では電気
機械結合係数を殆ど減少させることなく、ＺｎＯ／Ｓｉ
Ｏ2 により構成される振動部に最も強く励振される２次
波を発生させることができる。ダイアモンド膜を用いる
ことで、支持膜としての機械的強度を向上しつつ、限界
膜厚を小さくできる。このため、従来技術による場合と
比較して、高い共振周波数を実現できる。
【００２４】振動空間には、ダイアモンド膜が面するこ
とが望ましい。これはダイヤモンド膜が高強度であるた
め、支持膜を充分に支持できるからである。
とが望ましい。これはダイヤモンド膜が高強度であるた
め、支持膜を充分に支持できるからである。
【００２５】
【発明の実施の形態】本発明の圧電共振子は、図１に示
すように、振動空間Ａを有する基体１と、基体１上に配
置され、振動空間Ａを被覆するように配置された支持膜
２と、振動空間Ａに面する支持膜２の位置に配置された
振動体３とから構成されており、この振動体３は、圧電
体薄膜４の下面に下側電極５、上面に一対の上側電極６
を形成して構成されている。
すように、振動空間Ａを有する基体１と、基体１上に配
置され、振動空間Ａを被覆するように配置された支持膜
２と、振動空間Ａに面する支持膜２の位置に配置された
振動体３とから構成されており、この振動体３は、圧電
体薄膜４の下面に下側電極５、上面に一対の上側電極６
を形成して構成されている。
【００２６】基体１は、例えばシリコンからなり、エッ
チングすることにより振動空間Ａが形成されている。基
体１の振動空間Ａとは、振動体３の振動を基体１に伝達
しない空間を言い、基体１に貫通孔を形成したり、基体
１の支持膜を形成する部分に凹部を形成したりすること
により形成される。
チングすることにより振動空間Ａが形成されている。基
体１の振動空間Ａとは、振動体３の振動を基体１に伝達
しない空間を言い、基体１に貫通孔を形成したり、基体
１の支持膜を形成する部分に凹部を形成したりすること
により形成される。
【００２７】圧電体薄膜４には、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｃｄ
Ｓ、ＰｂＴｉＯ3 等が用いられるが、厚み縦振動の電気
機械結合係数が大きい等の理由からＰｂＴｉＯ3 を主成
分とすることが望ましい。また、共振子全体の温度係数
を零に近づけるという点からｃ軸配向したＺｎＯが望ま
しい。ＺｎＯ圧電体は、ｃ軸方向にのみ圧電性を発現す
るために、厚み縦振動を用いるＢＡＷ共振子においては
ｃ軸配向膜である必要がある。
Ｓ、ＰｂＴｉＯ3 等が用いられるが、厚み縦振動の電気
機械結合係数が大きい等の理由からＰｂＴｉＯ3 を主成
分とすることが望ましい。また、共振子全体の温度係数
を零に近づけるという点からｃ軸配向したＺｎＯが望ま
しい。ＺｎＯ圧電体は、ｃ軸方向にのみ圧電性を発現す
るために、厚み縦振動を用いるＢＡＷ共振子においては
ｃ軸配向膜である必要がある。
【００２８】このＰｂＴｉＯ3 を主成分とする圧電体薄
膜は、成膜時に結晶軸をｃ軸方向に配向させることによ
り、大きな圧電性を示すことができ、圧電性が弱い場合
には直流電圧を印加して圧電性を付与しても良い。
膜は、成膜時に結晶軸をｃ軸方向に配向させることによ
り、大きな圧電性を示すことができ、圧電性が弱い場合
には直流電圧を印加して圧電性を付与しても良い。
【００２９】この圧電体薄膜４を挟持する電極５、６に
は、従来より多く用いられているＡｌ、Ｐｔ、Ａｕ等比
較的反応性が低い金属材料が用いられる。圧電体薄膜４
との反応を考慮すると、電極材料としては反応性の低い
Ｐｔが望ましい。
は、従来より多く用いられているＡｌ、Ｐｔ、Ａｕ等比
較的反応性が低い金属材料が用いられる。圧電体薄膜４
との反応を考慮すると、電極材料としては反応性の低い
Ｐｔが望ましい。
【００３０】そして、本発明の圧電共振子では、支持膜
２がＳｉＯ2 膜８とダイアモンド膜９との積層膜で構成
した。ＳｉＯ2 膜８の膜厚ｔ1 は、ＺｎＯ膜の膜厚ｔ2
に対するＳｉＯ2 膜の膜厚ｔ1 の比（ｔ1 ／ｔ2 ）が
０．２５≦（ｔ1 ／ｔ2 ）≦０．７５が望ましい。これ
は、（ｔ1 ／ｔ2 ）＜０．２５の場合や０．７５＜（ｔ
1 ／ｔ2 ）≦１．２５の時ＺｎＯ/ ＳｉＯ2 はダイアモ
ンドと同じ負の温度係数を示し温度特性が悪くなるから
である。また、（ｔ1 ／ｔ2 ）＞１．２５の時、ＳｉＯ
2 ／ＺｎＯは正の温度係数を示すが、ＳｉＯ2 膜８の膜
厚が大きく、超音波の吸収が大きく、損失が大きくなる
ためである。
２がＳｉＯ2 膜８とダイアモンド膜９との積層膜で構成
した。ＳｉＯ2 膜８の膜厚ｔ1 は、ＺｎＯ膜の膜厚ｔ2
に対するＳｉＯ2 膜の膜厚ｔ1 の比（ｔ1 ／ｔ2 ）が
０．２５≦（ｔ1 ／ｔ2 ）≦０．７５が望ましい。これ
は、（ｔ1 ／ｔ2 ）＜０．２５の場合や０．７５＜（ｔ
1 ／ｔ2 ）≦１．２５の時ＺｎＯ/ ＳｉＯ2 はダイアモ
ンドと同じ負の温度係数を示し温度特性が悪くなるから
である。また、（ｔ1 ／ｔ2 ）＞１．２５の時、ＳｉＯ
2 ／ＺｎＯは正の温度係数を示すが、ＳｉＯ2 膜８の膜
厚が大きく、超音波の吸収が大きく、損失が大きくなる
ためである。
【００３１】本発明のＳｉＯ2 膜はアモルファスでも結
晶質でも良いが、アモルファスの方が製造上容易であ
り、望ましい。また、ダイアモンド膜９は、アモルファ
スでも結晶質でも良いが、Ｑの低下を防止するため結晶
質が望ましい。
晶質でも良いが、アモルファスの方が製造上容易であ
り、望ましい。また、ダイアモンド膜９は、アモルファ
スでも結晶質でも良いが、Ｑの低下を防止するため結晶
質が望ましい。
【００３２】また、ダイアモンド膜９の膜厚ｔ3 は薄け
れば薄いほど良いが、自立膜として形成するには１μｍ
以上が必要である。Ｒ ＴＨ、ＺｎＯ圧電体薄膜は比誘
電率が小さいため、共振子の静電容量で決まるインピー
ダンスを５０Ωにマッチングさせるためには、数１００
μｍ□のサイズの自立膜が必要であり、このサイズの自
立膜を安定的に作製するためには、１μｍ膜厚が必要と
なる。
れば薄いほど良いが、自立膜として形成するには１μｍ
以上が必要である。Ｒ ＴＨ、ＺｎＯ圧電体薄膜は比誘
電率が小さいため、共振子の静電容量で決まるインピー
ダンスを５０Ωにマッチングさせるためには、数１００
μｍ□のサイズの自立膜が必要であり、このサイズの自
立膜を安定的に作製するためには、１μｍ膜厚が必要と
なる。
【００３３】本発明の圧電共振子では、ＳｉＯ2 膜８と
ダイアモンド膜９の２層積層体を支持膜２として用いた
ので、高強度のダイアモンド膜９により支持膜２として
の強度を向上することができるとともに、ダイアモンド
膜９は共振周波数の温度変化率が極めて小さいため、支
持膜２としての共振周波数の温度変化率がＳｉＯ2 膜８
に支配され、温度変化率がＳｉＯ2 膜８とほぼ同等で、
高強度の支持膜を得ることができる。
ダイアモンド膜９の２層積層体を支持膜２として用いた
ので、高強度のダイアモンド膜９により支持膜２として
の強度を向上することができるとともに、ダイアモンド
膜９は共振周波数の温度変化率が極めて小さいため、支
持膜２としての共振周波数の温度変化率がＳｉＯ2 膜８
に支配され、温度変化率がＳｉＯ2 膜８とほぼ同等で、
高強度の支持膜を得ることができる。
【００３４】また、ＺｎＯからなる圧電体薄膜４は正の
温度係数を有し、アモルファスＳｉＯ2 は負の温度係数
を有するが、本発明の圧電共振子では、支持膜２がＳｉ
Ｏ2膜８とダイアモンド膜９の２層積層体であり、ダイ
アモンド膜９自体が共振周波数の温度変化率が殆ど零に
近く、このため支持膜２の温度係数はＳｉＯ2 膜８の温
度係数に支配されて負となり、正の温度係数を有するＺ
ｎＯからなる圧電体薄膜４と、負の温度係数を有する支
持膜２により、振動する部分（支持膜および振動体）の
共振周波数の温度係数を零に近づけることができる。
温度係数を有し、アモルファスＳｉＯ2 は負の温度係数
を有するが、本発明の圧電共振子では、支持膜２がＳｉ
Ｏ2膜８とダイアモンド膜９の２層積層体であり、ダイ
アモンド膜９自体が共振周波数の温度変化率が殆ど零に
近く、このため支持膜２の温度係数はＳｉＯ2 膜８の温
度係数に支配されて負となり、正の温度係数を有するＺ
ｎＯからなる圧電体薄膜４と、負の温度係数を有する支
持膜２により、振動する部分（支持膜および振動体）の
共振周波数の温度係数を零に近づけることができる。
【００３５】
【実施例】まず、プラズマＣＶＤ法により、Ｓｉ（１０
０）基体上にダイアモンド薄膜を形成する。成長条件
は、減圧下でＣＨ4 、ＣＯ2 、Ｈ2 混合ガスを用いて、
マイクロ波を６ＫＷで入力し、膜厚が１μｍのものを作
製した。
０）基体上にダイアモンド薄膜を形成する。成長条件
は、減圧下でＣＨ4 、ＣＯ2 、Ｈ2 混合ガスを用いて、
マイクロ波を６ＫＷで入力し、膜厚が１μｍのものを作
製した。
【００３６】天然のダイアモンドの特性は、ヤング率
１．２×１０12Ｎ／ｍ2 、密度３．５１ｇ／ｃｍ3 、音
速は１８５００ｍ／ｓであると報告されている。作製し
たダイアモンド薄膜の特性は、密度が３．４ｇ／ｃ
ｍ3 、ヤング率が９．６×１０11Ｎ／ｍ2 であり、音速
は１６８００ｍ／ｓであった。これは、天然のダイアモ
ンドに比べれば若干小さいものの、ＳｉＯ2 （溶融石
英）の音速５７００ｍ／ｓに比べても約３倍の値であ
り、アモルファスのＳｉＯ2 膜に比べると、さらに高音
速である。
１．２×１０12Ｎ／ｍ2 、密度３．５１ｇ／ｃｍ3 、音
速は１８５００ｍ／ｓであると報告されている。作製し
たダイアモンド薄膜の特性は、密度が３．４ｇ／ｃ
ｍ3 、ヤング率が９．６×１０11Ｎ／ｍ2 であり、音速
は１６８００ｍ／ｓであった。これは、天然のダイアモ
ンドに比べれば若干小さいものの、ＳｉＯ2 （溶融石
英）の音速５７００ｍ／ｓに比べても約３倍の値であ
り、アモルファスのＳｉＯ2 膜に比べると、さらに高音
速である。
【００３７】次に、この基体の裏側よりＳｉをエッチン
グし、ダイアモンド膜に達するビアホールを作製する。
ここで用いているダイアモンド膜は結晶質であり、しか
も内部残留応力が小さいことが特徴である。そのため、
１μｍの膜厚でも、残留応力によって自己破壊すること
なく自立膜を形成できる。
グし、ダイアモンド膜に達するビアホールを作製する。
ここで用いているダイアモンド膜は結晶質であり、しか
も内部残留応力が小さいことが特徴である。そのため、
１μｍの膜厚でも、残留応力によって自己破壊すること
なく自立膜を形成できる。
【００３８】こうして作製したダイアモンドのダイアフ
ラムの上に、熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜を形成する。
ＳｉＯ2 膜の膜厚は１．０μｍであった。次に、マグネ
トロンスパッタ法を用いて、Ｐｔ下部電極層、ＺｎＯ圧
電体薄膜、Ａｌ上部電極層を順次積層する。成長温度
は、Ｐｔ電極層が５００℃、圧電体薄膜とＡｌ電極層が
ともに２００℃である。
ラムの上に、熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜を形成する。
ＳｉＯ2 膜の膜厚は１．０μｍであった。次に、マグネ
トロンスパッタ法を用いて、Ｐｔ下部電極層、ＺｎＯ圧
電体薄膜、Ａｌ上部電極層を順次積層する。成長温度
は、Ｐｔ電極層が５００℃、圧電体薄膜とＡｌ電極層が
ともに２００℃である。
【００３９】膜厚は、下部電極層、上部電極層ともに１
００ｎｍ、圧電体薄膜が１．３μｍである。また、これ
らの薄膜の厚さを制御することにより、共振周波数の大
きさを制御することができる。
００ｎｍ、圧電体薄膜が１．３μｍである。また、これ
らの薄膜の厚さを制御することにより、共振周波数の大
きさを制御することができる。
【００４０】評価は図１に示す共振子構造においてイン
ピーダンス測定により行った。ＲＦインピーダンスアナ
ライザと、ＲＦ用ウエハマイクロプローブを用い、イン
ピーダンスの周波数特性を測定することにより、１．７
ＧＨｚにおいて圧電共振（反共振）を得た。
ピーダンス測定により行った。ＲＦインピーダンスアナ
ライザと、ＲＦ用ウエハマイクロプローブを用い、イン
ピーダンスの周波数特性を測定することにより、１．７
ＧＨｚにおいて圧電共振（反共振）を得た。
【００４１】また、Ｓｉ（１００）基体上に熱ＣＶＤ法
により１．５μｍのＳｉＯ2 膜を形成し、基体の裏側よ
りＳｉをエッチングし、ＳｉＯ2 膜に達するビアホール
を作製したところ、強度が低く自立膜を形成できなかっ
た。
により１．５μｍのＳｉＯ2 膜を形成し、基体の裏側よ
りＳｉをエッチングし、ＳｉＯ2 膜に達するビアホール
を作製したところ、強度が低く自立膜を形成できなかっ
た。
【００４２】以上のように、本発明のＳｉＯ2 ／ダイア
モンド支持膜を用いた薄膜圧電共振子は、ＳｉＯ2 支持
膜を用いた薄膜圧電共振子に比べ、よりＳｉＯ2 膜の膜
厚の小さい自立膜が形成できるため、共振周波数を決め
るＺｎＯ圧電体膜厚も小さくでき、共振周波数が大きな
共振子を構成できる。
モンド支持膜を用いた薄膜圧電共振子は、ＳｉＯ2 支持
膜を用いた薄膜圧電共振子に比べ、よりＳｉＯ2 膜の膜
厚の小さい自立膜が形成できるため、共振周波数を決め
るＺｎＯ圧電体膜厚も小さくでき、共振周波数が大きな
共振子を構成できる。
【００４３】
【発明の効果】本発明の圧電共振子では、ＳｉＯ2 膜と
ダイアモンド膜の２層積層体を支持膜として用いたの
で、高強度のダイアモンド膜により支持膜としての強度
を向上することができるとともに、ダイアモンド膜は共
振周波数の温度変化率が極めて小さいため、支持膜とし
ての共振周波数の温度変化率がＳｉＯ2 膜に支配され、
温度変化率がＳｉＯ2 膜とほぼ同等で、高強度の支持膜
を得ることができる。これにより、例えば、ＺｎＯから
なる圧電体薄膜を用いた場合には、正の温度係数を有す
るＺｎＯからなる圧電体薄膜と、負の温度係数を有する
支持膜により、振動する部分（支持膜および振動体）の
共振周波数の温度係数を零に近づけることができる。従
って、温度変化率が小さく、かつ従来のＳｉＯ2 からな
る支持膜では得られなかった高い共振周波数を有する圧
電共振子を得ることができる。
ダイアモンド膜の２層積層体を支持膜として用いたの
で、高強度のダイアモンド膜により支持膜としての強度
を向上することができるとともに、ダイアモンド膜は共
振周波数の温度変化率が極めて小さいため、支持膜とし
ての共振周波数の温度変化率がＳｉＯ2 膜に支配され、
温度変化率がＳｉＯ2 膜とほぼ同等で、高強度の支持膜
を得ることができる。これにより、例えば、ＺｎＯから
なる圧電体薄膜を用いた場合には、正の温度係数を有す
るＺｎＯからなる圧電体薄膜と、負の温度係数を有する
支持膜により、振動する部分（支持膜および振動体）の
共振周波数の温度係数を零に近づけることができる。従
って、温度変化率が小さく、かつ従来のＳｉＯ2 からな
る支持膜では得られなかった高い共振周波数を有する圧
電共振子を得ることができる。
【図１】本発明の圧電共振子を示す断面図である。
【図２】従来の圧電共振子を示す断面図である。
１・・・基体 ２・・・支持膜 ３・・・振動体 ４・・・圧電体薄膜 ５・・・下側電極 ６・・・上側電極 ８・・・ＳｉＯ2 膜 ９・・・ダイアモンド膜 Ａ・・・振動空間
Claims (3)
- 【請求項１】振動空間を有する基体と、該基体表面に形
成され、前記振動空間を被覆する支持膜と、該支持膜上
に、前記支持膜を介して前記振動空間と対向するように
形成され、圧電体薄膜の両面に電極を形成してなる振動
体とを具備するとともに、前記支持膜がＳｉＯ2 膜とダ
イアモンド膜との積層膜であることを特徴とする圧電共
振子。 - 【請求項２】ダイアモンド膜が振動空間に面しているこ
とを特徴とする請求項１記載の圧電共振子。 - 【請求項３】圧電体薄膜がｃ軸配向したＺｎＯ膜である
ことを特徴とする請求項１または２記載の圧電共振子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11086449A JP2000278078A (ja) | 1999-03-29 | 1999-03-29 | 圧電共振子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11086449A JP2000278078A (ja) | 1999-03-29 | 1999-03-29 | 圧電共振子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000278078A true JP2000278078A (ja) | 2000-10-06 |
Family
ID=13887249
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11086449A Pending JP2000278078A (ja) | 1999-03-29 | 1999-03-29 | 圧電共振子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000278078A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6778038B2 (en) | 2001-10-05 | 2004-08-17 | Tdk Corporation | Piezoelectric resonant filter, duplexer, and method of manufacturing same |
| KR100488615B1 (ko) * | 2001-07-02 | 2005-05-11 | 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 | 압전 공진기, 그 제조 방법, 압전 필터, 그 제조 방법,듀플렉서, 및 전자 통신 장치 |
| KR100488617B1 (ko) * | 2001-07-03 | 2005-05-11 | 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 | 압전 공진기, 필터 및 전자 통신 장치 |
| US6906451B2 (en) | 2002-01-08 | 2005-06-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric resonator, piezoelectric filter, duplexer, communication apparatus, and method for manufacturing piezoelectric resonator |
| US6977563B2 (en) | 2002-09-27 | 2005-12-20 | Tdk Corporation | Thin-film piezoelectric resonator and method for fabricating the same |
| JP2006186831A (ja) * | 2004-12-28 | 2006-07-13 | Kyocera Kinseki Corp | 圧電薄膜デバイス及びその製造方法 |
| US7078984B2 (en) | 2002-02-27 | 2006-07-18 | Tdk Corporation | Duplexer and method of manufacturing same |
| US7304551B2 (en) | 2002-11-08 | 2007-12-04 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Branching filter and communication device |
| JP2011015423A (ja) * | 2001-01-24 | 2011-01-20 | Koninkl Philips Electronics Nv | 超音波変換器のアレイ |
| CN109164846A (zh) * | 2018-10-06 | 2019-01-08 | 烟台大学 | 用于saw谐振、反谐振频率测量的控温装置及控温方法 |
| JP2020524453A (ja) * | 2017-06-19 | 2020-08-13 | アールエフエイチアイシー コーポレイション | 体積弾性波フィルタ |
-
1999
- 1999-03-29 JP JP11086449A patent/JP2000278078A/ja active Pending
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2011015423A (ja) * | 2001-01-24 | 2011-01-20 | Koninkl Philips Electronics Nv | 超音波変換器のアレイ |
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| KR100488617B1 (ko) * | 2001-07-03 | 2005-05-11 | 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 | 압전 공진기, 필터 및 전자 통신 장치 |
| US6778038B2 (en) | 2001-10-05 | 2004-08-17 | Tdk Corporation | Piezoelectric resonant filter, duplexer, and method of manufacturing same |
| US6906451B2 (en) | 2002-01-08 | 2005-06-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric resonator, piezoelectric filter, duplexer, communication apparatus, and method for manufacturing piezoelectric resonator |
| US7240410B2 (en) | 2002-01-08 | 2007-07-10 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Method for manufacturing a piezoelectric resonator |
| US7078984B2 (en) | 2002-02-27 | 2006-07-18 | Tdk Corporation | Duplexer and method of manufacturing same |
| US6977563B2 (en) | 2002-09-27 | 2005-12-20 | Tdk Corporation | Thin-film piezoelectric resonator and method for fabricating the same |
| US7304551B2 (en) | 2002-11-08 | 2007-12-04 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Branching filter and communication device |
| JP2006186831A (ja) * | 2004-12-28 | 2006-07-13 | Kyocera Kinseki Corp | 圧電薄膜デバイス及びその製造方法 |
| JP2020524453A (ja) * | 2017-06-19 | 2020-08-13 | アールエフエイチアイシー コーポレイション | 体積弾性波フィルタ |
| JP2022003837A (ja) * | 2017-06-19 | 2022-01-11 | アールエフエイチアイシー コーポレイション | 体積弾性波フィルタ |
| CN109164846A (zh) * | 2018-10-06 | 2019-01-08 | 烟台大学 | 用于saw谐振、反谐振频率测量的控温装置及控温方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050214 |
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| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050301 |
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| A02 | Decision of refusal |
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