JPH10209793A - 圧電薄膜共振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気機械結合係数が大きく、共振子、フィル
タ等に適用した場合の帯域幅及び発振周波数範囲が広い
圧電薄膜共振子であって、下部電極を露出させる必要が
なく、製造が容易な圧電薄膜共振子を提供する。 【解決手段】 絶縁膜１Ａを有するＳｉ基板１上に、下
部電極２、ＰＴ薄膜３及び２個の上部電極４Ａ，４Ｂを
有する圧電薄膜共振子。上部電極４Ａ，４Ｂの間隔はＰ
Ｔ薄膜３の膜厚よりも大きい。 【効果】 圧電体膜が、キューリー点が約５００度と高
く、厚み方向の結合係数と広がり方向の結合係数の値が
大きく異なる等の特徴を有するＰＴで形成されているた
め、広帯域なフィルタや発振周波数範囲の広い共振器を
実現できる。上部電極間に電界を印加することにより圧
電体膜を厚み方向に分極処理することができる。従っ
て、下部電極を端子電極とする必要がなく、このため下
部電極を露出させるための煩雑な工程が不要となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電薄膜共振子に係
り、特に、高周波帯域で動作する圧電薄膜の厚み方向の
バルク波を利用した共振器、フィルタ等に好適な圧電薄
膜共振子に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高周波帯域において使用される
圧電振動子では、薄板の厚み振動が利用されている。従
来、提供されている高周波用の圧電振動子としては、次
の〜の構成のものなどがある。

【０００３】 水晶、圧電セラミックス等の圧電板を
薄く研磨し、その基本振動を用いた圧電振動子。 水晶、圧電セラミックス等の高次振動を利用した高
次モード振動子。 圧電性蒸着膜を基板上に形成し、この圧電性蒸着膜
を励振して基板を高次振動させて用いる複合振動子。

【０００４】上記従来の圧電振動子のうち、の構成の
ものでは、水晶、圧電セラミックス等の圧電板を薄くす
れば、板厚に反比例して基本共振周波数が高くなるが、
板厚を薄くすればするほど、機械加工が困難となる。こ
のため、現在では、板厚３０〜４０μｍで共振周波数５
０ＭＨｚ程度が限界である。

【０００５】の構成のものでは、高次振動を用いるた
め電気機械結合係数が小さくなり、周波数帯域幅が小さ
すぎて実用的ではなく、また、電気機械結合係数が大き
い低次振動ではスプリアスとなる欠点がある。また、
の構成のものでも同様の欠点がある。

【０００６】ところで、圧電素子用の高周波用圧電材料
としては、例えば、常誘電体のＡｌＮ、ＣｄＳ、ＺｎＯ
等が用いられている。これらの材料は、機械加工により
薄く加工したとしても、４０μｍ程度の厚みが限界であ
り、この程度の厚みのものでは、基本波の共振周波数
は、いずれの材料でも数十ＭＨｚが限界である。これら
の材料を用いた高周波用圧電薄膜共振子においては、例
えば、５００ＭＨｚ以上の高い共振周波数の基本振動を
得るためには、板厚を１０μｍ以下にする必要がある。

【０００７】一方、数百ＭＨｚの高周波帯域において、
電気機械結合係数の大きな圧電振動子を得る方法として
は、スパッタ法等の薄膜製造技術とエッチング技術を用
いる方法があり、例えば、特開昭６０−３１３０５号公
報には、スパッタ法で酸化亜鉛及びチタン酸鉛の薄膜を
形成した圧電素子が記載されている。この特開昭６０−
３１３０５号公報に記載される圧電素子は、基板の影響
をなくし、圧電体薄膜の振動特性を活かすために、基板
の一部をエッチングで除去している。

【０００８】なお、従来、厚み振動を用いた圧電薄膜共
振子では、特開平８−１４８９６８号公報に記載される
圧電薄膜共振子に代表されるように、圧電体膜の上下の
電極に電界を印加することよりバルク波を励振させてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】スパッタ法による酸化
亜鉛、その他、従来の圧電材料は、いずれも電気機械結
合係数が２０〜３０％程度と小さいため、共振子、フィ
ルタ等を構成した場合、帯域幅及び発振周波数範囲が限
定される。なお、特開昭６０−３１３０５号公報では、
この点を改善するために、基板の一部を除去している
が、このように基板を除去した場合、素子強度が低下す
るという欠点がある。

【００１０】また、従来提供されている厚み振動を用い
た圧電薄膜共振子では、圧電体膜の上下の電極に電界を
印加して厚み方向に分極処理することでバルク波を励振
させている。このため、下部電極をこの分極処理におけ
る端子電極とするべく、下部電極を露出させる必要があ
る。従って、圧電体膜を下部電極上に一様に形成した
後、エッチングにより圧電体膜の一部を除去して下部電
極を露出させたり、圧電体膜の形成に当り、下部電極を
部分的にマスクするなどして、下部電極の一部を残して
圧電体膜を形成する必要があり、下部電極を露出させる
ための煩雑な工程を必要とするという欠点がある。

【００１１】本発明は上記従来の問題点を解決し、電気
機械結合係数が大きく、共振子、フィルタ等に適用した
場合の帯域幅及び発振周波数範囲が広い圧電薄膜共振子
であって、下部電極を露出させる必要がなく、従って製
造が容易な圧電薄膜共振子を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電薄膜共振子
は、絶縁膜を有するＳｉ基板と、該Ｓｉ基板の該絶縁膜
上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された
圧電体膜と、該圧電体膜上に形成された２個の上部電極
とを備えてなる圧電薄膜共振子であって、該圧電体膜は
ＰＴ薄膜であり、前記２個の上部電極同士の間の間隔
が、該圧電体膜の膜厚よりも大きいことを特徴とする。

【００１３】本発明の圧電薄膜共振子は、圧電体膜がキ
ューリー点が約５００度と高く、厚み方向の結合係数と
広がり方向の結合係数の値が大きく異なる等の特徴を有
するＰＴ（チタン酸鉛）で形成されているため、簡単な
構造で、広帯域なフィルタや発振周波数範囲の広い共振
器を実現できる。

【００１４】しかも、上部電極が間隔をあけて２個形成
されているため、この上部電極間に電界を印加すること
により圧電体膜を厚み方向に分極処理することができ
る。従って、下部電極を端子電極とする必要がなく、こ
のため下部電極を露出させるための煩雑な工程が不要と
なる。

【００１５】ところで、ＰＴは、良質な膜質の圧電体薄
膜を得ることが困難である。例えば、スパッタ法では、
厚み振動の共振を十分確認できるほど良好なＰＴ薄膜を
形成できない。

【００１６】これに対して、ゾルゲル法によるＰＴ薄膜
の成膜であれば、厚み振動に対して高い共振を示し、圧
電体薄膜として有効に機能する良好な膜質のＰＴ薄膜を
形成することができる。このＰＴ薄膜の膜厚は０．１〜
１０μｍであることが好ましい。

【００１７】また、分極処理効果の面から、上部電極同
士の間の間隔（以下、「上部電極間隔」と称す。）は、
ＰＴ薄膜の膜厚の２〜２００倍であることが好ましい。

【００１８】本発明におては、Ｓｉ基板の下部電極形成
面と反対側の面を一部エッチングで除去して凹部を形成
しても良く、これにより、発信周波数、挿入損失の特性
を向上させることができる。

【００１９】本発明によれば、ＰＴ薄膜の膜厚０．１〜
１０μｍであり、上部電極間隔０．２μｍ〜２ｍｍで、
共振周波数帯域８０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの高特性圧電薄
膜共振子が提供される。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００２１】図１は本発明の実施の形態を示す斜視図、
図２は本発明の他の実施の形態を示す正面図、図３は本
発明の別の実施の形態を示す斜視図、図４は本発明の異
なる実施の形態を示す図であって、図４（ａ）は正面
図、図４（ｂ）は側面図である。

【００２２】図１〜４において、同一機能を奏する部材
には同一符号を付してある。

【００２３】本発明の圧電薄膜共振子で用いる基板は、
表面に絶縁膜が形成されたＳｉ基板であるが、このよう
な基板としては、図示の如く、表面に酸化膜（ＳｉＯ₂
膜）１Ａが形成されたＳｉ基板１が好適である。この酸
化膜付きＳｉ基板１であれば、表面が平滑であり、熱処
理時の元素の拡散も防止でき、かつ機械的強度も十分で
あることにより、ゾルゲル法により、良好な膜質のＰＴ
薄膜を形成することができる。

【００２４】この酸化膜付きＳｉ基板１の酸化膜１Ａの
厚さは、薄過ぎると拡散防止効果がなく、厚過ぎるとク
ラックの発生や基板のそりの問題があるので０．５〜２
μｍ程度であることが好ましい。

【００２５】また、酸化膜付きＳｉ基板１としては、薄
膜圧電素子としての用途上、できる限り薄いことが望ま
しいが、過度に薄いと機械的強度が低下するため、厚さ
１００〜３００μｍ程度であることが好ましい。

【００２６】本発明の圧電薄膜共振子は、このような酸
化膜付きＳｉ基板１上に、下部電極２、ＰＴ薄膜３及び
上部電極４（４Ａ，４Ｂ）を順次成膜して得られるが、
下部電極２の成膜に先立ち、Ｔｉ層（図示せず）を形成
するのが、ＰＴ薄膜３の成膜の上で有利である。

【００２７】即ち、ゾルゲル法によるＰＴ薄膜の成膜で
は、乾燥、焼成時に収縮を伴うため、５μｍを超える膜
厚の薄膜を形成することは困難であるが、膜厚０．１μ
ｍ未満のＰＴ薄膜では、圧電体薄膜として機能するには
薄すぎて好ましくない。これに対して、酸化膜付きＳｉ
基板上にＴｉ層を形成しておくことにより、Ｓｉ基板と
下地電極との密着層としての作用で、ＰＴ薄膜を比較的
厚い薄膜として形成することが可能となる。

【００２８】このＴｉ層はスパッタ法等により形成する
ことができ、その厚さは５０〜５００Å程度であること
が好ましい。Ｔｉ層の厚さが５０Å未満ではＴｉ層を形
成したことによる効果が十分に得られない。

【００２９】下部電極２としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌ等
の導電性金属層をスパッタ法等で形成することができ、
その厚さは、通常の場合１０００〜２０００Å程度であ
る。

【００３０】本発明において、圧電体薄膜としてのＰＴ
薄膜３は、高周波対応とするために膜厚１０μｍ以下で
あることが必要とされ、好ましくは０．１〜１０μｍ、
より好ましくは０．２〜３μｍの範囲で使用目的に応じ
て適宜決定される。なお、ＰＴ薄膜の膜厚が薄過ぎると
圧電効果が十分得られず、逆に、厚過ぎると良好な膜質
が得られない。

【００３１】ＰＴ薄膜３上の上部電極４（４Ａ，４Ｂ）
としては、前述の下部電極２と同様の導電性金属層をス
パッタ法等によりパターニング形成することができ、そ
の厚さは、通常の場合、１０００〜２０００Å程度であ
る。

【００３２】本発明においては、上部電極として２個の
上部電極４Ａ，４Ｂを形成し、この上部電極４Ａ，４Ｂ
同士の間隔をＰＴ薄膜３の膜厚よりも大きくする。

【００３３】上部電極間隔がＰＴ薄膜３の膜厚以下であ
ると、分極処理に当り上部電極４Ａ，４Ｂ間に電界を印
加した際、短絡が生じ、ＰＴ薄膜を厚み方向に分極処理
することができない。ただし、上部電極間隔が過度に大
きいと素子寸法が徒に大きくなり、好ましくない。

【００３４】この上部電極間隔はＰＴ薄膜の膜厚の２〜
２００倍、即ち、膜厚０．１〜１０μｍのＰＴ薄膜に対
して上部電極間隔０．２〜２０００μｍであることが好
ましい。上部電極間隔は特にＰＴ薄膜の膜厚の１０〜１
００倍であることが好ましい。

【００３５】本発明においては、図２に示す如く、Ｓｉ
基板１の下部電極２形成面と反応側の面をエッチング処
理して凹部５を形成しても良く、このように凹部５を形
成することにより、圧電薄膜共振子の機械的強度は若干
劣るものの低次モードをより強く励振することが可能と
なり、発信周波数、挿入損失の特性を向上させることが
できる。

【００３６】この凹部５は、上部電極４Ａ，４Ｂの形成
位置に対向する位置（上部電極を基板上に厚さ方向に透
影した位置）にＳｉ基板１の厚さの５０〜１００％の深
さで形成するのが好ましい。

【００３７】また、本発明においては、図３に示す如
く、ＰＴ薄膜３上にＳｉＯ₂ 膜等の絶縁膜６を部分的に
形成し、上部電極４Ａ，４Ｂを、この絶縁膜６とＰＴ膜
３の表出面とにまたがるように形成することにより、端
子電極としての上部電極４Ａ，４Ｂの形成位置をずらし
て構造上の補強を図ることができる。この場合、この絶
縁膜６はＳｉＯ₂ ，ＳｉＮ，ＡｌＮ，ＴｉＯ₂ ，Ａｌ₂
Ｏ₃ 等により形成することができ、その厚さは０．０５
〜１μｍ程度であることが好ましい。

【００３８】また、このように絶縁膜６を形成した場合
においても、図４に示す如く、Ｓｉ基板１に凹部５を形
成しても良い。

【００３９】次に、本発明の圧電薄膜共振子の製造方法
の好適例について説明する。

【００４０】まず、酸化膜付きＳｉ基板の表面に、スパ
ッタ法によりＴｉ層及び下部電極を順次形成する。

【００４１】次いで、下部電極上に、酢酸鉛等の鉛化合
物及びチタニウムイソプロポキシド、チタニウムブトキ
シド等のチタン化合物を所定のモル比で、合計濃度が１
０〜２０重量％程度となるように、メトキシエタノー
ル、酢酸エステル等の溶剤に溶解したＰＴ薄膜形成用組
成物を塗布し、１５０〜４００℃で乾燥し、所定の膜厚
となるように、この塗布、乾燥を繰り返す。

【００４２】最後に５００〜８００℃で０．１〜２ｈｒ
焼成する。

【００４３】このようにして形成したＰＴ薄膜上に、必
要に応じて熱処理，ＣＶＤ等によりＳｉＯ₂ 等の絶縁膜
を形成した後、スパッタ法により、２個の上部電極を所
定のパターンで形成する。その後、２個の上部電極間に
１２０〜２００℃で２００〜５００ｋＶ／ｃｍ程度の直
流電界を１０〜６０分程度印加してＰＴ薄膜の分極処理
を行う。この分極処理を行うことでＰＴ薄膜が圧電体薄
膜として機能するようになる。

【００４４】圧電薄膜共振子において、良好な膜質のＰ
Ｔ薄膜を形成することは極めて重要である。即ち、ＰＴ
薄膜は、十分な分極処理をすることで圧電体薄膜として
機能するが、膜質が不良である分極処理の電界を十分に
印加できず、圧電体薄膜として機能しないことになる。
このため、本発明においては、基板、下部電極、ＰＴ薄
膜、上部電極の形成条件の最適化により、膜質の良好な
ＰＴ薄膜を形成することが重要である。

【００４５】Ｓｉ基板をエッチングして凹部を形成する
場合には、ＴＭＡＨ（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ ａｍｍ
ｏｎｉｕｍ ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）等のエッチング液を
用いて、部分的に基板を除去すれば良い。

【００４６】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明する。

【００４７】実施例１〜１１ 基板として、表面に厚さ１μｍの酸化膜を有する厚さ２
５０μｍのＳｉ基板を用い、このＳｉ基板表面にスパッ
タ法により、厚さ５００ÅのＴｉ層及び厚さ２０００Å
のＰｔ下部電極層を順次形成した。

【００４８】このＰｔ下部電極層上に、ゾルゲル法によ
り、表１に示す膜厚のＰＴ薄膜を形成した。

【００４９】なお、ＰＴ薄膜の形成には、酢酸鉛とチタ
ニウムイソプロポキシドとを所定のモル比で合計濃度１
０重量％となるように溶解したＰＴ薄膜形成用溶液を用
い、スピンコートにより塗布した後４００℃で乾燥し、
この塗布、乾燥を所定の膜厚になるまで繰り返し、最後
に６５０℃で１ｈｒ焼成した。

【００５０】更に、ＰＴ薄膜上にスパッタ法により、図
１に示す如く、厚さ１５００Åで、７０μｍ×７０μｍ
の正方形状のＡｌ上部電極２個を上部電極間隔１８０μ
ｍでパターニング形成した。

【００５１】その後、上部電極同士の間に１５０℃で３
００ｋＶ／ｃｍの直流電界を１０ｍｉｎ印加したとこ
ろ、ＰＴ薄膜が厚み方向に分極処理され、圧電薄膜共振
子が得られた。

【００５２】得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本
共振周波数は表１に示す通りであった。

【００５３】

【表１】

【００５４】比較例１ 実施例１において、上部電極間隔をＰＴ薄膜の膜厚より
小さい０．２μｍとしたこと以外は同様にして行ったと
ころ、上部電極間に直流電界を印加しても短絡してしま
い分極処理を行うことができなかった。

【００５５】実施例６ 実施例１において、ＰＴ膜厚を０．８μｍとし、８０μ
ｍ×７５μｍの長方形状のＡｌ上部電極２個を上部電極
間隔７５μｍで形成したこと以外は同様にして圧電薄膜
共振子を作製し、その共振周波数及び挿入損失を表２に
示した。

【００５６】実施例７ 実施例６において、図２に示す如く、上部電極形成位置
に対向するＳｉ基板の裏面側に、２３５μｍ×７５μｍ
×２３５μｍ深さの凹部を形成したこと以外は同様にし
て圧電薄膜共振子を作製し、その共振周波数及び挿入損
失を表２に示した。

【００５７】

【表２】

【００５８】実施例８ 実施例７において、ＰＴ薄膜の成膜後、図３に示す如
く、振動領域以外に厚さ１μｍのＳｉＯ₂ 膜をスパッタ
により形成し、その後、このＳｉＯ₂ 膜とＰＴ薄膜とに
またがるように、厚さ１５００ÅのＡｌ上部電極を上部
電極間隔７５μｍで形成したこと以外は同様にして圧電
薄膜共振子を作製した。この圧電薄膜共振子の上部電極
は、ＰＴ薄膜上に形成された部分の面積が８０μｍ×７
５μｍで、ＳｉＯ₂ 薄膜上に形成された部分の面積が１
００μｍ×１００μｍで連結部の幅が２０μｍのもので
ある。

【００５９】この圧電薄膜共振子について、上部電極の
面積のちがいによる、インピーダンスを調べ、実施例７
の圧電薄膜共振子と比較したところ、実施例７の圧電薄
膜共振子は５０Ω付近であるのに対して、本実施例の圧
電薄膜共振子も５０Ω付近であり、このような構成とし
ても、特性に変化はなく、上部電極形成位置をずらし
て、補強構造とすることができることがわかった。

【００６０】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の圧電薄膜共
振子によれば、圧電体膜として、キューリー点が約５０
０度と高く、厚み方向の結合係数と広がり方向の結合係
数の値が大きく異なる等の特徴を有するＰＴ薄膜を用い
るため、簡単な構造においても広帯域なフィルタや発信
周波数の広い共振器を実現する圧電薄膜共振子を得るこ
とができる。また、上部電極を所定の間隔をあけて２個
設けたため、下部電極を端子電極として用いる必要がな
く、この結果、下部電極を露出するための煩雑な工程が
不要となり、圧電薄膜共振子を容易に製造することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す斜視図である。

【図２】本発明の他の実施の形態を示す正面図である。

【図３】本発明の別の実施の形態を示す斜視図である。

【図４】本発明の異なる実施の形態を示す図であって、
図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は側面図である。

【符号の説明】

１ Ｓｉ基板 ２ 下部電極 ３ ＰＴ薄膜 ４Ａ，４Ｂ 上部電極 ５ 凹部 ６ 絶縁膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁膜を有するＳｉ基板と、該Ｓｉ基板
   の該絶縁膜上に形成された下部電極と、該下部電極上に
   形成された圧電体膜と、該圧電体膜上に形成された２個
   の上部電極とを備えてなる圧電薄膜共振子であって、 該圧電体膜はＰＴ薄膜であり、 前記２個の上部電極同士の間の間隔が、該圧電体膜の膜
   厚よりも大きいことを特徴とする圧電薄膜共振子。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記ＰＴ薄膜はゾル
   ゲル法により形成されたものであり、その膜厚が０．１
   〜１０μｍであることを特徴とする圧電薄膜共振子。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、前記２個の上
   部電極同士の間の間隔が前記ＰＴ薄膜の膜厚の２〜２０
   ０倍であることを特徴とする圧電薄膜共振子。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１項におい
   て、前記Ｓｉ基板の下部電極形成面と反対側の面にエッ
   チングにより凹部が形成されていることを特徴とする圧
   電薄膜共振子。