JP2000165187A

JP2000165187A - 圧電共振子

Info

Publication number: JP2000165187A
Application number: JP10339356A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nishikawa; 洋行西川; Kenichi Yoshimura; 健一吉村; Yasuyo Kamigaki; 耕世神垣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2000-06-16

Abstract

(57)【要約】【課題】従来実現されていなかった大きな周波数で共振
を起こし、その高周波数領域で動作するフィルター等に
使用可能な薄膜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に面する支持膜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がダイヤモンドを主成分とす
るものであり、圧電体薄膜４がＰｂＴｉＯ₃を主成分と
するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電共振子に関し、
圧電体薄膜の両面に電極を形成した振動子の厚み縦振動
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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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Ｓｉ
Ｏ₂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ＳｉＯ₂が用いられている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ＢＡＷＲでは、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ＢＡＷＲの特性に大きく影響する。

【００１２】しかしながら、上記ＳｉＯ₂を用いた支持
膜では、それが非晶質であることから振動の伝播の速度
が小さく、共振周波数が現行のＳＡＷレゾネーターを越
えるには至っていない。しかも、振動の減衰、すなわち
挿入損失も比較的大きいという問題があった。

【００１３】また、圧電共振子では、ＺｎＯ、ＡｌＮ、
ＣｄＳ等の圧電体薄膜材料を用いていたため、圧電体薄
膜材料の電気機械結合係数が小さく、周波数差△Ｆ（反
共振周波数Ｆａ−共振周波数Ｆｒ）が小さく、広帯域の
フィルターを構成することはできなかった。

【００１４】従って、近年においては、共振周波数を大
きくし、挿入損失を小さくできる圧電共振子、さらには
広帯域のフィルターが得られる圧電共振子が要求されて
いた。

【００１５】

【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、圧電体薄膜の両面に電極
を形成してなり、前記振動空間に面する前記支持膜の位
置に配置された振動体とを具備するとともに、前記支持
膜がダイヤモンドを主成分とするものである。ここで、
圧電体薄膜がＰｂＴｉＯ₃を主成分とすることが望まし
い。

【００１６】

【作用】本発明では、ダイヤモンドを主成分とする支持
膜を用いることにより、支持膜の音速が大きくなり、振
動空間に面する支持膜と振動体の全体において音速を大
きくすることができる。その結果、共振を起こす音響波
の周波数は、支持膜にＳｉＯ₂等を用いていた従来の場
合に比べて大きくすることができる。

【００１７】また、ダイヤモンドは硬度が大きいため、
膜厚が比較的小さな場合でも、振動空間に面する支持膜
の部分が、振動子を機械的に支えるに充分な強度とな
る。

【００１８】即ち、従来のＳｉＯ₂では、充分な機械的
強度を得るために、薄層化に限界があるものと考えられ
るが、ダイヤモンドを主成分とする薄膜を用いること
で、この機械的強度による限界膜厚を小さくできる。こ
のため、従来技術による場合に比べて、さらに支持膜層
の膜厚を小さくすることが可能であり、高音速特性であ
ることもあわせると、この両方の効果によって、従来技
術によって作製されたＢＡＷＲに比べて高い共振周波数
を実現できる。

【００１９】共振周波数を上げるためには、膜厚を小
さくする、振動の伝播速度、即ち音速を大きくするの
二つの方法がある。つまり、同じ膜厚ならば、音速の大
きな材料が有利である。膜厚の制御は可能であるが、現
状の数ＧＨｚ以上の共振周波数を得るためには、膜厚を
小さくしていくだけでは不十分であると考えられる。

【００２０】音速の大きな材料を用いることで、同じ膜
厚でも大きな共振周波数を得ることができる。

【００２１】実際、図１に示すような構造では、振動す
る薄層部分（振動子および支持膜）の機械的強度は支持
膜によって与えられているため、この支持膜の膜厚は、
実際に振動を励振する圧電体薄膜およびそれを挟持する
電極に比べて大きくなる。従って、この薄層部分を共振
する音響波のうちで、支持膜に含まれている割合はかな
り大きくなる。そのため、この薄層部分全体での平均的
な音速を考えた場合、支持膜での音速は重要である。そ
れゆえ、支持膜に音速の大きな材料を用いることは利点
が大きい。

【００２２】本発明の圧電共振子では、ＰｂＴｉＯ₃系
圧電材料よりなる圧電体薄膜を用いることにより、厚み
縦振動の電気機械結合係数を大きくすることができ、圧
電共振子の周波数差△Ｆを増大することができる。その
結果、従来のＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電材料を用いた場合
に比べて、周波数差△Ｆを大きくすることができる。

【００２３】また、ＰｂＴｉＯ₃系圧電材料は機械的品
質係数Ｑｍも比較的大きく、共振子の挿入損失も小さく
できる。また、結晶の異方性が大きいため、圧電横効果
の電気機械結合係数ｋ₃₁が小さく、横効果による不要振
動の発生を抑制できる。

【００２４】即ち、広帯域のフィルターを得るには、圧
電共振子の周波数差△Ｆを増大する必要があるが、これ
には圧電体薄膜に用いる材料特性、特に電気機械結合係
数の大きい材料を使用する必要がある。

【００２５】ＰｂＴｉＯ₃系圧電材料は、従来から使用
されていたＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電材料と比較して、電
気機械結合係数が２倍以上であり、また機械的品質係数
Ｑｍも比較的大きいことが知られており、近年の技術開
発により良好なＰｂＴｉＯ₃薄膜を得ることも可能にな
ってきている。

【００２６】また、ＰｂＴｉＯ₃は構成元素数も少な
く、成膜時の特性ばらつきも少ない。

【００２７】ＰｂＴｉＯ₃は正方晶系の多結晶体であ
り、成膜時に結晶軸を配向させることで圧電性を示す膜
を作製することが可能である。また、結晶軸の配向の度
合いが低く圧電性が弱い場合には、圧電体薄膜に必要温
度以上で直流電圧を印加し、分極方向をそろえ、圧電性
を付与することが可能である。

【００２８】

【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。

【００２９】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。

【００３０】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。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。

【００３１】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。

【００３２】そして、本発明の圧電共振子では、支持膜
２がダイヤモンドを主成分とするものである。従って、
支持膜２はダイヤモンド結晶からなる場合や、ダイヤモ
ンド結晶を主成分とし、グラファイトやダイヤモンドラ
イクカーボン等が存在する場合がある。

【００３３】天然のダイヤモンドは、周知のとおり、最
も硬度が高く、音速も大きい材料である。また、結晶質
の薄膜を得ることが可能であり、硬度や密度、音速とい
った特性が、天然の結晶ダイヤモンドとほぼ同じ値を持
つ薄膜を得ることも可能であることが知られている。

【００３４】従って、ダイヤモンドは機械的強度が大き
いために、支持膜として大きな機械的強度を与えると共
に、音速が極めて大きいために、超音波の減衰も問題に
ならない。また、極めて硬いため、弾性定数の温度係数
も１４ｐｐｍ／℃と極めて小さく、ダイヤモンドからな
る支持膜を共振子に組み込んでも問題とならない。

【００３５】このダイヤモンドを主成分とする支持膜の
厚みは、１ＧＨｚ以上の共振周波数を得ることと、充分
な機械的強度が必要であるという点から、１〜５μｍで
あることが望ましい。

【００３６】

【実施例】実施例１先ず、プラズマＣＶＤ法により、Ｓｉ（１００）基体上
にダイヤモンドを主成分とする支持膜を形成した。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１〜７μｍの
ものを作製した。

【００３７】天然のダイヤモンドの特性は、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
たダイヤ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、天然のダイヤモ
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、ＣＶＤ法等で作製されるアモルファスのＳｉＯ₂膜
に比べると、さらに高音速である。単純に支持膜の音速
だけで比べるならば、同じ膜厚で３倍以上の共振周波数
を実現できることになる。

【００３８】実際には、圧電体薄膜や電極が存在するた
め、単純に３倍にはならないが、振動が伝わる経路の多
くを占める支持膜の音速が３倍になるため、ダイヤモン
ドからなる支持膜を用いる効果は大である。

【００３９】次に、基体の裏側よりＳｉをエッチング
し、ダイヤモンド薄膜に達する貫通孔を形成し、振動空
間を形成した。ここで用いているダイヤモンド薄膜は結
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、数μｍ以下の膜厚でも、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。

【００４０】こうして作製したダイヤモンドのダイアフ
ラムの上に、マグネトロンスパッタ法を用いて、Ｐｔ下
側電極、ＺｎＯ圧電体薄膜、Ｐｔ上側電極を順次積層
し、図１に示すような本発明の圧電共振子を作製した。
成長温度は、両電極、圧電体薄膜ともに５００℃で、膜
厚は、下側電極、上側電極ともに２００〜２５０ｎｍ、
圧電体薄膜が８００〜９００ｎｍである。これらの薄膜
の厚さを制御することにより、励振の強さや共振周波数
の大きさを制御することができる。

【００４１】一方、支持膜としてＳｉＯ₂を用いた従来
の圧電共振子を作製し、この従来の圧電共振子と本発明
の圧電共振子を比較した。

【００４２】この結果、従来のＳｉＯ₂支持膜圧電共振
子では、支持膜の厚みが膜厚１．５μｍ以下の場合は、
強度的に問題があり、自立膜を形成できなかった。これ
に対して、本発明のダイヤモンド支持膜圧電共振子で
は、支持膜の膜厚が１．０μｍまで自立膜を形成でき
た。これにより、膜厚の点から高周波化を図る場合に、
本発明のダイヤモンド支持膜が有利であることが判る。

【００４３】一方、支持膜の膜厚を２．５μｍとした場
合、ＳｉＯ₂支持膜を用いた従来の場合には、共振周波
数が７６０ＭＨｚであったのに対し、ダイヤモンド支持
膜を用いた本発明の場合には、共振周波数が１．６５Ｇ
Ｈｚであった。つまり、同膜厚で２．２倍の共振周波数
が得られたことになり、この点でもダイヤモンド支持膜
の有効性が示されている。これにより、本発明のダイヤ
モンド支持膜圧電共振子は、ＳｉＯ₂支持膜圧電共振子
よりも膜厚の小さい自立膜を形成でき、また、膜厚が同
じ場合には、共振周波数を大きくできることが判る。

【００４４】実施例２ＺｎＯ圧電体薄膜を形成する代わりに、ＰｂＴｉＯ₃ 圧
電体薄膜を形成する以外は、上記実施例１と同様に圧電
共振子を作製した。

【００４５】即ち、実施例１のダイアモンドのダイアフ
ラムの上に、マグネトロンスパッタ法を用いて、Ｐｔ下
側電極を積層し、この下側電極の上に、ＰｂＴｉＯ₃ 圧
電体薄膜をゾルゲル法にて作製した。さらに、このＰｂ
ＴｉＯ₃ 圧電体薄膜上にＰｔ上側電極を順次積層した。
ＰｂＴｉＯ₃ 系圧電体薄膜は、ＰｂとＴｉのアルコキシ
ド溶液を１：１で混合した濃度１ｍｏｌ／ｌ溶液を用い
てスピンコートし、３００℃での熱処理を繰り返し、６
００℃で結晶化し、膜厚が８００〜９００ｎｍの圧電体
薄膜を作製した。

【００４６】この圧電共振子に、１００℃で１０Ｖの直
流電圧を印加し分極処理を施し、１８０°分域を揃え
た。そして、圧電共振子のインピーダンスを測定し、イ
ンピーダンスが極小、極大を示す周波数をそれぞれ共振
周波数Ｆｒ、反共振周波数Ｆａとして求め、周波数差△
Ｆ（反共振周波数Ｆａ−共振周波数Ｆｒ）を求めた。

【００４７】この後、この圧電共振子と、上記実施例１
に開示された本発明の圧電共振子と、ＺｎＯからなる圧
電体薄膜を用いた従来の圧電共振子について、△Ｆ／Ｆ
ｒの値について比較したところ、ＺｎＯからなる圧電体
薄膜を用いた従来の圧電共振子では△Ｆ／Ｆｒが５％で
あったのに対して、実施例１に開示された本発明の圧電
共振子では△Ｆ／Ｆｒが５％であり、殆ど変わりはなか
ったが、ＰｂＴｉＯ₃圧電体薄膜を用いた本発明の圧電
共振子では△Ｆ／Ｆｒが１７％であり、ＰｂＴｉＯ₃ 圧
電体薄膜を用いることにより、周波数差△Ｆの大きな共
振子を作製できることが判る。

【００４８】尚、ＰｂＴｉＯ₃ 圧電体薄膜を用いた本発
明の圧電共振子では、共振周波数が１．６０ＧＨｚであ
り、実施例１の圧電共振子とほぼ同じであった。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の圧電共振
子では、支持膜がダイヤモンドを主成分とすることによ
り、支持膜の音速が大きくなり、振動空間に面する支持
膜と振動体の全体において音速を大きくすることがで
き、支持膜にＳｉＯ₂等を用いていた従来の場合に比べ
て共振周波数を大きくすることができる。また、ダイヤ
モンドは硬度が大きいため、膜厚が比較的小さな場合で
も、振動空間に面する支持膜の部分が、振動子を機械的
に支えるに充分な強度が得られる。

【００５０】また、圧電体薄膜に、電気機械結合係数が
大きく、機械的品質係数Ｑｍも大きいＰｂＴｉＯ₃ 系圧
電材料を用いることにより、従来技術では得られなかっ
た高い周波数帯に共振周波数をもち、周波数差△Ｆが大
きく、挿入損失の小さな圧電共振子を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電共振子の基本構造を示す断面図で
ある。

【図２】従来の圧電共振子の基本構造を示す断面図であ
る

【符号の説明】

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Ａ・・・振動空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5J108 AA07 BB08 CC01 CC11 DD01 DD06 DD07 EE03 EE07 EE13 FF01 KK07

Claims

【特許請求の範囲】

【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、圧電体薄膜
の両面に電極を形成してなり、前記振動空間に面する前
記支持膜の位置に配置された振動体とを具備するととも
に、前記支持膜がダイヤモンドを主成分とすることを特
徴とする圧電共振子。
【請求項２】圧電体薄膜がＰｂＴｉＯ₃を主成分とする
ことを特徴とする請求項１記載の圧電共振子。