JP2000165188A

JP2000165188A - 圧電共振子

Info

Publication number: JP2000165188A
Application number: JP10339358A
Authority: JP
Inventors: Yasuyo Kamigaki; 耕世神垣; Hiroyuki Nishikawa; 洋行西川; Kenichi Yoshimura; 健一吉村
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】挿入損失が小さく、圧電体薄膜の電気機械結合
係数を高く維持できるとともに、共振周波数の温度係数
を０に近づけられ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、圧電体薄膜
３の両面に電極４、５を形成してなり、振動空間Ａに面
するように基体１に配置された振動体２とを具備すると
ともに、圧電体薄膜３が、共振周波数の温度係数が正の
圧電体３ａと、共振周波数の温度係数が負の圧電体３ｂ
とを積層して構成されているものであり、ダイヤモンド
からなる支持膜９が基体１の振動空間Ａに面するように
基体１に配置され、この支持膜９に振動体２が配置され
ていても良い。

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、電極作製技術
において非常な困難が生じている。

【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３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上に形成された第１電極１６
と、該第１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第２電極１８と
からなるものである（ＵＳＰ４，３２０，３６５参
照）。支持膜１３は、基体１１に形成された空間Ａを被
覆するように、基体１１上面に支持膜１３を形成するこ
とにより、支持膜１３の空間Ａに接する部分が振動する
ことになる。

【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、圧電薄膜を支える支持膜としては、バル
クのＳｉや、ＳｉＯ₂が用いられてきた。

【００１０】特にＳｉＯ₂は、文献（Electronics Lett
ers vo.17, No.14, pp507-509 (1981)）に報告されてい
るように、圧電体の共振周波数の温度係数と逆符号の温
度係数を持つ。このため、共振子の共振周波数の変化を
補償し、零温度係数を実現でき、この理由により標準的
支持膜として使用されてきた。また、特開昭５８−１３
７３１７号公報には、圧電体薄膜中に、非圧電体である
ＳｉＯ₂を挿入し、零温度係数を実現する例が開示され
ている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記文
献に開示されたＳｉＯ₂は非晶質であることから、強度
が不十分であり、膜厚を大きくしなければ十分な強度が
得られなかった。また、ＳｉＯ₂は非晶質であるため、
振動の減衰、すなわち挿入損失が大きく、膜厚の増大と
共に損失が大きな問題となっていた。

【００１２】また、特開昭５８−１３７３１７号公報に
開示された圧電共振子では、圧電体薄膜中に非圧電体で
あるＳｉＯ₂を挿入していたため、非圧電体であるＳｉ
Ｏ₂が圧電振動を抑制し、ＳｉＯ₂の膜厚が大きくなる
と共振周波数を低下させるとともに、フィルターの比帯
域幅を決定する圧電体薄膜の電気機械結合係数の減少を
引き起こすという問題があった。

【００１３】従って、圧電体薄膜の共振周波数の温度変
化を補償し、零温度係数を実現するための手段としての
ＳｉＯ₂膜の積層は、共振子の性能を大きく損なうた
め、近年においては、ＳｉＯ₂層の積層に代わる温度補
償手段が望まれていた。

【００１４】本発明は、挿入損失が小さく、圧電体薄膜
の電気機械結合係数を高く維持できるとともに、共振周
波数の温度係数を０に近づけることができる圧電共振子
を提供する。

【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、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ように前記基体に配
置された振動体とを具備するとともに、前記圧電体薄膜
が、共振周波数の温度係数が正の圧電体と、共振周波数
の温度係数が負の圧電体とを積層して構成されているも
のである。

【００１６】ここで、ダイヤモンドからなる支持膜が基
体の振動空間に面するように前記基体に配置され、この
支持膜に振動体が配置されていることが望ましい。ま
た、圧電体薄膜が、金属元素としてＰｂ、ＺｒおよびＴ
ｉを含有するペロブスカイト型複合酸化物からなること
が望ましい。さらに、圧電体薄膜の膜厚が２μｍ以下で
あることが望ましい。

【００１７】

【作用】本発明では、圧電体薄膜を、共振周波数の温度
係数が正の圧電体と、共振周波数の温度係数が負の圧電
体とから構成したので、圧電体薄膜自身の共振周波数の
温度係数を０に近づけることができ、従来のようなＳｉ
Ｏ₂からなる支持膜なしでも共振周波数の温度変化率の
小さな共振子を提供できる。また、ＳｉＯ₂の様な弾性
的に柔らかく、超音波の吸収の大きな非圧電体層を内蔵
しないため、損失の増大がなく、低損失で温度特性に優
れた共振子を提供できる。

【００１８】また、本発明では、圧電体薄膜を、金属元
素としてＰｂ、ＺｒおよびＴｉを含有するペロブスカイ
ト型複合酸化物からなる強誘電体薄膜で構成することに
より、電気機械結合係数の大きい強誘電体を圧電体とし
て使用でき、共振周波数と反共振周波数の周波数差の大
きい共振子を構成できる。また、フィルタを構成した
時、比帯域幅の大きい広帯域フィルタを実現できる。さ
らに、比誘電率が大きいため、圧電共振子のサイズ（面
積）を小さくでき、支持膜なしでも共振子構造を維持で
きる。

【００１９】さらに、支持膜上に、圧電体薄膜を一対の
電極により挟持した振動体を形成する場合においても、
ダイヤモンドを支持膜として用いることにより、電気機
械結合係数を大幅に減少させることなく、また超音波の
大きな吸収が無いため損失の増大を引き起こすことな
く、高強度の圧電共振子を得ることができる。

【００２０】即ち、支持膜を使用する場合は、若干電気
機械結合係数が小さくなるが、ダイヤモンドを支持膜と
して使用する。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。

【００２１】ダイヤモンドの音速は圧電体の３〜６倍に
も達することから、圧電体／支持膜の複合振動体を考え
る場合、複合振動体に１波長の定在波を生じる２次波に
おいて、ダイヤモンドの膜厚は圧電体の３〜６倍とな
る。複合振動体に１／２波長の定在波がたつ基本波で考
えると、ダイヤモンドの膜厚が小さければ小さいほど大
きな電気機械結合係数が得られるが、ダイヤモンドの膜
厚が圧電体と同程度以下であればその大きな音速から振
動体の電気機械結合係数を大きく減少させることなく、
基本振動を励振できる。

【００２２】また、ダイヤモンド膜は、弾性的温度係数
（共振周波数の温度係数）がー１４ｐｐｍ／℃と非常に
小さく、実用上問題とならない。また、さらなる高精度
が要求される場合は、圧電体薄膜の温度係数で十分補償
できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１に、本発明の圧電共振子の断
面図を示すもので、圧電共振子は、振動空間Ａを有する
基体１と、振動空間Ａに面するように基体１に配置され
た振動体２ととから構成されており、この振動体２は、
圧電体薄膜３の下面に下側電極４、上面に一対の上側電
極５を形成して構成されている。

【００２４】そして、圧電体薄膜３が、共振周波数の温
度係数が正の圧電体３ａと、共振周波数の温度係数が負
の圧電体３ｂとを積層して構成されている。

【００２５】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貫通孔を形成し、振動空間Ａが形
成されている。この振動空間Ａは、振動体２の振動を基
体１に伝達しない空間であり、基体に貫通孔を形成した
り、基体に凹部を形成したりして形成できる。

【００２６】圧電体薄膜３には、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
₃を基本組成とする強誘電体薄膜が用いられる。このよ
うに圧電体薄膜をＰｂ、ＴｉおよびＺｒを含有するペロ
ブスカイト構造をもつ強誘電体薄膜としたのは、基本材
料であるＰｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ₃は大きな電気機械結合
係数を示し、広帯域フィルターが構成可能である上に、
組成相境界と呼ばれる２つの異なる結晶形態が競合する
組成領域で大きな電気機械結合係数を減少させることな
く、負の弾性的温度係数を示すためである。

【００２７】これは、Ｚｒ／Ｔｉ比により正方晶構造
と、菱面体晶構造の２つの結晶構造を取りうるためであ
る。それぞれの結晶構造では温度係数は負であり温度と
共に音速は小さくなるが、正方晶構造の音速が菱面体構
造の音速に比べ大きいため、正方晶構造が高温側に存在
する組成相境界では、温度の上昇とともに菱面体相から
正方晶相へとかわる時に、見かけ上、音速の温度係数が
正になる為である。

【００２８】また、強誘電体とすることで、大きな比誘
電率を利用することができる。マイクロ波用共振子／フ
ィルタは５０Ωのインピーダンスを標準インピーダンス
として設計されるが、共振子のインピーダンスは共振子
の静電容量と周波数の積の逆数でほぼ決まる。ＺｎＯ、
ＡｌＮのような強誘電体でない圧電体においては、比誘
電率が小さいため電極面積、ひいては共振子のサイズが
数１００μｍ□のオーダーになる。

【００２９】従って、比誘電率が１桁〜２桁大きい強誘
電体を用いることによりサイズを１００μｍ□より小さ
くできるため、支持膜なしでも共振子自身が自立膜とし
て十分な強度を得ることができる。非圧電体である支持
膜を含まない電極／圧電体／電極からなる振動体構造が
最も効率よく共振を生じるのは明らかである。

【００３０】圧電体薄膜３の膜厚は２μｍ以下であるこ
とが望ましい。これは、圧電厚み縦振動により１ＧＨｚ
以上の共振周波数を得る為には、圧電体薄膜の膜厚は２
μｍ以下で十分であるからである。圧電体薄膜の膜厚
は、製造の容易性、分極処理の容易性から、１．５μｍ
以下が好ましく、さらに膜の絶縁性を考慮すると０．３
μｍ〜１．５μｍが望ましい。

【００３１】この圧電体薄膜３を挟持する電極４、５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。圧電体薄膜と
の反応を考慮すると、電極層材料としては、反応性の低
いＰｔが望ましい。また、密度と電気抵抗率を考慮する
とＡｌが望ましい。

【００３２】また、本発明では、図２に示すように、ダ
イヤモンドからなる支持膜９が基体１の振動空間Ａに面
するように基体１に配置され、この支持膜９に振動体３
を配置して構成しても良い。

【００３３】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−１
４ｐｐｍ／℃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。また、高
精度を要求される場合においてもダイヤモンド膜の温度
係数が十分小さいため、強誘電体の組み合わせにより、
零温度係数を実現できる。

【００３４】尚、上記例では、圧電体薄膜３を、共振周
波数の温度係数が正の圧電体３ａと、共振周波数の温度
係数が負の圧電体３ｂとを積層して構成した例について
説明したが、共振周波数の温度係数が正と負の圧電体を
複数積層しても良い。

【００３５】

【実施例】実施例１先ず、Ｓｉ基板の両面にＳｉｘＮｙ膜をＣＶＤ法により
形成した。基板表面には全面に、裏面にはパターン形成
を行った。ＫＯＨ溶液により、Ｓｉ基板を異方性エッチ
ングし、貫通孔（振動空間）を形成した。

【００３６】次に、マグネトロンスパッタ法を用いて、
ＳｉｘＮｙ膜表面に、５００℃で１５０ｎｍ膜厚のＰｔ
からなる電極を形成し、その上に、ゾルゲル法により、
モル比による組成式：Ｐｂ_1.06Ｂａ_0.09｛( Ｃｏ_0.16Ｙ
ｂ_0.26Ｎｂ_0.58)_0.1615Ｃｒ_0.0085｝( Ｚｒ_1-cＴ
ｉ_c）_0.83Ｏ₃で示される圧電体薄膜を形成した。

【００３７】即ち、Ｔｉ量の異なる１ｍｏｌ／ｌ濃度の
溶液（ｃ＝０．５７）と溶液（ｃ＝０．５９）を作
製した。スピンコート法を用いて、Ｐｔ膜上に結晶膜を
形成した。まず溶液を用いて、溶液塗布、熱処理（３
８０℃１分間）を５回繰り返した後、溶液を用いて、
同様に溶液塗布、熱処理を５回繰り返し、この後、７０
０℃で１５分間焼成し、結晶化した。溶液塗布から結晶
化に至る工程をもう一度繰り返し、膜厚１．２μｍの４
層強誘電体薄膜を得た。

【００３８】次に、その上にＲＦマグネトロンスパッタ
法によりマスク法を用いてＡｌからなる電極を形成し、
Ｓｉ基板に振動体を形成した。最後に、裏面から反応性
イオンエッチングにより、ＳｉｘＮｙを除去し、図１に
示すような圧電共振子を作製した。

【００３９】次に、マイクロプローブと直流電源を用い
てポーリング処理を施した。共振子構造は、共振子が２
個直列に接続された構造と等価であるため、抗電界の２
倍以上の電界を印可する必要がある。室温で３０Ｖの直
流電圧を３０秒間印可し、分極処理を行った。

【００４０】インピーダンス測定により、圧電共振特性
を評価した。共振周波数の温度係数は、ホットチャック
を組み込んだＲＦプローブを用いて行った。温度係数
は、２５℃の共振周波数をｆｒ（２５℃）、８５℃の共
振周波数をｆｒ（８５℃）とした時、｛ｆｒ（８５℃）
−ｆｒ（２５℃）／ｆｒ（２５℃）・Δｔ｝（但し、Δ
ｔ＝８５℃−２５℃）で定義した。

【００４１】尚、溶液を用いて、溶液塗布、熱処理を
５回繰り返した後、７００℃で１５分間焼成し、結晶化
した圧電体と、溶液を用いて、同様に溶液塗布、熱処
理を５回繰り返し、この後、７００℃で１５分間焼成
し、結晶化した圧電体について、共振周波数の温度係数
を測定したところ、溶液を用いた圧電体は＋４０ｐｐ
ｍ／℃であり、溶液を用いた圧電体は−３２ｐｐｍ／
℃であった。

【００４２】上記作製した共振子は、室温で共振周波数
ｆｒ＝１．２０ＧＨｚ（基本波）、共振子Ｑ＝２９０、
温度係数＋５ｐｐｍ／℃、および電気機械結合係数ｋｔ
＝０．３２が得られた。

【００４３】一方、溶液を用いて、圧電体薄膜が一種
の圧電体からなる従来の圧電共振子を、１．５μｍ膜厚
のＳｉＯ₂支持膜上に形成したところ、室温で共振周波
数ｆｒ＝１．１０ＧＨｚ（ただし２次波）、共振子Ｑ＝
７５、温度係数−１２ｐｐｍ／℃、および電気機械結合
係数ｋｔ＝０．２５が得られ、温度係数は小さいもの
の、ＳｉＯ₂に起因して大きなＱは得られなかった。

【００４４】実施例２先ず、プラズマＣＶＤ法により、ダイヤモンド薄膜をＳ
ｉ（１００）基板上に形成する。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。

【００４５】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。

【００４６】次に、この基板の裏側よりＳｉをエッチン
グし、ダイヤモンド薄膜層に達する貫通孔を作製し、振
動空間を形成する。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、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。

【００４７】こうして作製したダイヤモンドのダイアフ
ラム（支持膜）の上に、上記実施例１と同様に振動体を
形成した。そして、上記実施例１と同様に、ポーリング
処理を行い、インピーダンス測定を行った。この結果、
室温で共振周波数ｆｒ＝１．０５ＧＨｚ、共振子Ｑ＝２
５０、温度係数−８ｐｐｍ／℃、および電気機械結合係
数ｋｔ＝０．２８が得られた。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明では、圧電
共振子の圧電体薄膜を、共振周波数の温度係数の符号の
異なる２層以上の圧電体で構成し、圧電体薄膜自身の温
度係数を改善することにより、温度特性改善に有効であ
るが共振特性の劣化が著しいＳｉＯ₂支持膜がなくても
温度特性に優れ、高い電気機械結合係数を示す圧電共振
子を実現できる。

【００４９】また、支持膜として温度係数が小さく、高
強度で高音速のダイヤモンド薄膜を用いることで、圧電
体薄膜の膜厚を小さくできるため、従来技術では得られ
なかった高い共振周波数をもち、かつ高い結合係数をも
つ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的な構造の断面図で
ある。

【図２】支持膜を有する本発明の圧電共振子の基本的な
構造の断面図である。

【図３】従来の圧電共振子の基本的な構造の断面図であ
る。

【符号の説明】

１・・・基体２・・・振動体３・・・圧電体薄膜３ａ、３ｂ・・・圧電体４、５・・・電極９・・・支持膜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 KK02 KK07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動空間を有する基体と、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ように
前記基体に配置された振動体とを具備するとともに、前
記圧電体薄膜が、共振周波数の温度係数が正の圧電体
と、共振周波数の温度係数が負の圧電体とを積層して構
成されていることを特徴とする圧電共振子。
【請求項２】ダイヤモンドからなる支持膜が基体の振動
空間に面するように前記基体に配置され、この支持膜に
振動体が配置され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、金属元素としてＰｂ、Ｚｒ
およびＴｉを含有するペロブスカイト型複合酸化物から
な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。