JP2000261281A

JP2000261281A - 圧電バルク振動子

Info

Publication number: JP2000261281A
Application number: JP11062196A
Authority: JP
Inventors: Hisatoshi Saito; 久俊斉藤; Shusuke Abe; 秀典阿部
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2000-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】高周波数帯域で動作し、規格化周波数可変幅
の大きな圧電バルク振動子を実現する。【解決手段】圧電バルク振動子は、半導体基板１１
と、この半導体基板１１の上に形成されたバッファ層１
２と、このバッファ層１２の上に形成された下部電極１
３と、この下部電極１３の上に形成された圧電薄膜１４
と、この圧電薄膜１４の上に形成された上部電極１５
と、圧電薄膜１４の上に形成され、圧電薄膜１４よりも
誘電率が小さい誘電体層２０と、この誘電体層２０の上
に形成されたボンディングパッド１７と、誘電体層２０
の上に形成され、ボンディングパッド１７と上部電極１
５とを接続する引出し電極１６とを備えている。半導体
基板１１には、ビアホール１８が形成され、ビアホール
１８と半導体基板１１の上面との間にダイアフラム部１
９が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、移動体通
信等で使用される発振素子やフィルタに利用される圧電
バルク振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、８００ＭＨｚ帯から１．９ＧＨｚ
帯を用いた携帯電話やデジタルコードレス電話等が急速
に普及し、更に、加入者が増加してきている。このよう
な状況に対応すると共に、世界共通の電話の実現を目指
して、最近、ＩＭＴ２０００（International Mobile T
elecommunications-2000）システム等の新しい規格の導
入が検討されている。このＩＭＴ２０００システムで
は、最大ビットレートが２Mbpsまでのシステムの導入が
検討されている。このシステムでは、帯域幅を５ＭＨ
ｚ、１０ＭＨｚ、２０ＭＨｚに広げた広帯域ＣＤＭＡ
（Code Division Multiple Access）方式が提案されて
いる。この方式では、直接拡散符号を用いるため、電波
の多重伝搬路の干渉により、現状では、使用帯域幅は５
ＭＨｚから１０ＭＨｚが限界と言われているが、新たな
干渉キャンセル技術の開発が不可欠であるものの、将来
的には広帯域化するものと予想される。

【０００３】そこで、中心周波数が２ＧＨｚの帯域で動
作し、周波数可変幅が５ＭＨｚから１５ＭＨｚ（規格化
周波数可変幅が０．２５％から０．７５％）のＶＣＯ
（電圧制御発振器）回路が必要になる。さらに、ＩＭＴ
２０００システムに認可された周波数範囲は最大６０Ｍ
Ｈｚであり、この場合には、約４０ＭＨｚ（規格化周波
数可変幅が２％）の周波数可変幅を持つＶＣＯ回路が必
要になる。そこで、もし、小型、低位相雑音、低スプリ
アスを持つＶＣＯ回路用の広い周波数可変幅を持つ発振
素子が実現できれば、通信システムの革新につながる技
術となる。

【０００４】ところで、上述のシステムでは、利便性を
向上させるために、システムを構成する携帯機器等の機
器には、従来より小型であることが、強く要求されてい
る。機器の小型化には、使用する部品の小型化が不可欠
である。この要求を達成できる部品の候補の一つとし
て、圧電バルク振動子（圧電バルク薄膜振動子ともい
う。）がある。この素子は、小型、調整が不要、高Ｑで
共振損失が小さい等の特徴を有している。

【０００５】ここで、前述の周波数可変幅５ＭＨｚ、１
５ＭＨｚ、４０ＭＨｚを得るには、圧電バルク振動子に
利用する圧電基板の実効電気機械結合係数の２乗ｋ² _eff
としては、経験的に、それぞれ３．５％、１０％、２８
％が必要である。なお、本出願では、実効電気機械結合
係数の２乗ｋ² _effを、共振特性における共振周波数と反
共振周波数との差を共振周波数で割った値の２倍として
定義する。

【０００６】圧電バルク振動子は、１９８０年に３つグ
ループから独立に提案されている。図６は、中村らによ
る文献「Electronic Letters １７巻（１９８１年）、
第５０７〜５０９ページ」に記載された圧電バルク振動
子の構成を示したものである。この圧電バルク振動子で
は、Ｓｉ基板１０１上に、ＳｉＯ₂からなる厚さｔ_S＝
２．５μｍのダイアフラム１０２が形成され、その上
に、下部電極１０３およびＺｎＯからなる厚さｔ_P＝
４．５μｍの圧電薄膜１０４が形成され、更に、圧電薄
膜１０４の上に上部励振電極１０５が形成されている。
圧電薄膜１０４は、厚さ方向の基本モードの縦波を共振
させることが可能である。圧電薄膜１０４の共振波長
は、圧電薄膜１０４の厚さの２倍であり、共振周波数と
しては５４０ＭＨｚが得られる。原理的に、圧電薄膜１
０４の厚さを薄くすれば、共振周波数が増大し、厚さ約
１μｍのとき、共振周波数は約２ＧＨｚとなる。しか
し、このＺｎＯからなる圧電薄膜１０４では、実効電気
機械結合係数の２乗ｋ² _effは、１．４％であり、これ
は、上述の要望を満足することができない。

【０００７】そこで、実効電気機械結合係数の２乗ｋ²
_effを増大させるために、三須らによる文献「第２６回
ＥＭシンポジウム講演予稿集（１９９６年）、第３７ペ
ージ」に記載されているように、ＺｎＯからなる圧電薄
膜の代りに、ＲＦマグネトロンスパッタ法で形成された
ｃ軸配向したＰｂＴｉＯ₃薄膜を利用することが知られ
ている。この薄膜の比誘電率は約２５０であり、実効電
気機械結合係数の２乗ｋ ² _effは約６％であった。

【０００８】また、本出願人は、先に提出した特願平１
０−２８５９４５号において、基板に垂直な方向にｃ軸
を持つＰｂ（Ｚｒ_0.24Ｔｉ_0.76）Ｏ₃のエピタキシャル
膜を形成し、圧電バルク振動子を作製した例を示してい
る。このエピタキシャル膜の電気的特性を評価すると、
比誘電率は２４０、実効電気機械結合係数の２乗ｋ² _e _ff
は約２６％であった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、要望さ
れる０．２５％から２％の規格化周波数可変幅を持つ圧
電バルク振動子を得るには、比誘電率の大きなＰｂ系の
圧電薄膜を用いて圧電バルク振動子を形成することが有
効である。

【００１０】ところが、比誘電率の大きなＰｂ系の圧電
薄膜を用いて圧電バルク振動子を形成した場合、励振電
極に電圧を印加するための引出し電極およびボンデイン
グパッドの面積を増大したり、圧電薄膜の厚さを小さく
したりすると、次のような２つの問題が発生することが
分かった。第１の問題は、共振周波数で割って規格化し
た共振周波数と反共振周波数との間隔が小さくなり、す
なわち、実効電気機械結合係数の２乗ｋ² _effが小さくな
り、規格化周波数可変幅が小さくなることである。第２
の問題は、反共振周波数でのインピーダンスレベルが低
下し、共振周波数でのインピーダンスと反共振周波数で
のインピーダンスとの差が小さくなり、極端な場合には
共振特性が得られなくなるということである。

【００１１】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、高周波数帯域で動作し、規格化周波
数可変幅の大きな圧電バルク振動子を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電バルク振動
子は、圧電性を有する圧電薄膜と、圧電薄膜を挟んで対
向するように配置された一対の電極と、圧電薄膜の少な
くとも一方の面側に配置され、同じ面側に配置された電
極に励振用電圧を印加するために用いられる導電部と、
少なくとも、導電部とこの導電部に対して圧電薄膜を挟
んで対向する電極との間に設けられ、圧電薄膜よりも誘
電率が小さい誘電体層とを備えものである。

【００１３】この圧電バルク振動子では、誘電体層の存
在によって、この誘電体層がない場合に比べて、導電部
とこの導電部に対して圧電薄膜を挟んで対向する電極と
の間の静電容量が小さくなり、これにより、実効電気機
械結合係数の２乗ｋ² _effが大きくなる。

【００１４】また、本発明の圧電バルク振動子では、導
電部は、例えば、ボンディングパッドと、このボンディ
ングパッドと電極とを接続する引出し電極の少なくとも
一方を含む。

【００１５】また、本発明の圧電バルク振動子では、圧
電薄膜は、例えばエピタキシャル膜である。

【００１６】また、本発明の圧電バルク振動子では、例
えば、更に、圧電薄膜を保持する半導体基板を備えてい
る。この場合、本発明の圧電バルク振動子は、更に、半
導体基板と圧電薄膜との間に配置されたバッファ層を備
えていてもよい。また、この場合、半導体基板は、振動
部を構成するダイアフラム部を有していてもよい。

【００１７】また、本発明の圧電バルク振動子では、誘
電体層の比誘電率をε₁、厚さをｔ₁とし、導電部が圧電
薄膜を挟んで電極と対向する部分の面積をＳ₁とし、圧
電薄膜の比誘電率をε₂、厚さをｔ₂とし、一対の電極が
圧電薄膜を挟んで対向する部分の面積をＳ₂としたと
き、Ｓ₁ε₁ｔ₂≦Ｓ₂ε₂ｔ₁×10^0.85という関係が成り立
つことが好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。始めに、図４を参照
して、本実施の形態に係る圧電バルク振動子の技術的な
背景について説明する。図４は、本実施の形態に係る圧
電バルク振動子との比較のための圧電バルク振動子の構
成を示す断面図である。この圧電バルク振動子は、半導
体基板１１１と、この半導体基板１１１の上に形成され
たバッファ層１１２と、このバッファ層１１２の上に形
成された下部電極１１３と、この下部電極１１３の上に
形成された圧電性を有する圧電薄膜１１４と、この圧電
薄膜１１４の上に形成された上部電極１１５と、圧電薄
膜１１４の上に形成されたボンディングパッド１１７
と、圧電薄膜１１４の上に形成され、ボンディングパッ
ド１１７と上部電極１１５とを接続する引出し電極１１
６とを備えている。半導体基板１１１には、バッファ層
１１２とは反対側よりビアホール１１８が形成され、こ
のビアホール１１８と半導体基板１１１の上面との間
に、振動部を構成するダイアフラム部１１９が形成され
ている。

【００１９】このように構成された圧電バルク振動子
は、上部が開放されたパッケージ１２１内に収納され、
ダイボンド剤１２１によってパッケージ１２２の底部に
接合されている。下部電極１１３とボンディングパッド
１１７には、それぞれ、配線用のワイヤ１２３，１２４
が接続されている。パッケージ１２２の上部は、ふた１
２５によって封止されている。

【００２０】半導体基板１１１は、例えば、（１００）
面を持つＳｉ単結晶によって形成されている。バッファ
層１１２は、例えば、半導体基板１１１側より順に積層
された酸化シリコン層、酸化ジルコニア層およびチタン
酸バリウム層によって形成されている。下部電極１１３
は、例えば、白金によって形成されている。バッファ層
１１２および下部電極１１３は、半導体基板１１１の上
面全体の領域に形成されている。圧電薄膜１１４は、例
えば、半導体基板１１１に垂直な方向にｃ軸を持つＰｂ
（Ｚｒ_0.25Ｔｉ_0.75)Ｏ₃からなるエピタキシャル膜によ
って形成されている。この圧電薄膜１１４の対称性は点
群４ｍｍに属し、ａ軸とｂ軸方向はそれぞれ、Ｓｉ半導
体基板１１１の＜０１１＞軸とｂｃ面内で且つ＜０１１
＞軸と垂直な方向を向いている。上部電極１１５、引出
し電極１１６およびボンディングパッド１１７は、例え
ば、金薄膜によって形成されている。圧電薄膜１１４、
上部電極１１５、引出し電極１１６およびボンディング
パッド１１７は、例えば、フォトリソグラフィ技術を用
いて所望の形状に形成される。

【００２１】ビアホール１１８は、例えば、アルカリエ
ッチャントを用いたエッチングによって形成される。ビ
アホール１１８の寸法は、上部電極１１５で励振された
厚み方向の縦振動のエネルギを閉じ込めることができる
ように、上部電極１１５よりも大きめにされる。ビアホ
ール１１８を形成する際には、振動部の機械的強度を保
持するために、半導体基板１１１の上部を薄く残すこと
により、ダイアフラム部１１９を形成する。

【００２２】次に、図４に示した構成の圧電バルク振動
子において、引出し電極１１６の面積とボンディングパ
ッド１１７の面積を変化させた場合における実効電気機
械結合係数の２乗ｋ² _effの変化について考察する。ここ
では、圧電バルク振動子の電気的共振特性を測定し、得
られた特性から実効電気機械結合係数の２乗ｋ² _effを見
積もっている。また、圧電薄膜１１４の厚さを０．５μ
ｍとし、上部電極１１５の形状を４０μｍ×４０μｍと
した。また、下記の表に示したように引出し電極１１６
の面積とボンディングパッド１１７の面積を変えたサン
プルＳ１〜Ｓ５を用意した。下記の表から分るように、
サンプルＳ１〜Ｓ５の順に、引出し電極１１６の面積と
ボンディングパッド１１７の面積の和が小さくなってい
る。

【００２３】

【表１】

【００２４】また、各サンプルＳ１〜Ｓ５について、図
４に示したように、引出し電極１１６と下部電極１１３
との間の静電容量Ｃ_f1とボンディングパッド１１７と下
部電極１１３との間の静電容量（以下、単に容量とい
う。）Ｃ_f2との和の容量Ｃ_fと、上部電極１１５と下部
電極１１３との間の容量Ｃ₀を求めた。これらの容量
は、圧電バルク振動子に５０ＭＨｚの電圧を印加して、
そのインピーダンス値の面積依存性から見積もった。

【００２５】各サンプルＳ１〜Ｓ５についてのｌｏｇ
［Ｃ_f／Ｃ₀］と実効電気機械結合係数の２乗ｋ² _effとの
関係を図５に示す。なお、図５では、実効電気機械結合
係数の２乗ｋ² _effを実効ｋ²と記している。この図か
ら、容量Ｃ_fが増加すると、実効電気機械結合係数の２
乗ｋ² _effが低下することが分る。実効電気機械結合係数
の２乗ｋ² _effが低下すると、規格化周波数可変幅が小さ
くなり、共振特性が劣化する。容量Ｃ_fは、引出し電極
１１６やボンディングパッド１１７の面積を増大した
り、圧電薄膜１１４の厚さを小さくしたりすると、大き
くなる。

【００２６】以上のことから、引出し電極１１６やボン
ディングパッド１１７の面積を増大したり、圧電薄膜１
１４の厚さを小さくしたりすると、規格化周波数可変幅
が小さくなり、共振特性が劣化することが分る。更に、
機械的強度が得られる範囲でダイアフラム部１１９を薄
くしても、同様の結果が得られる。

【００２７】逆に、規格化周波数可変幅を大きくするに
は、引出し電極１１６やボンディングパッド１１７の面
積を小さくすればよいが、それには限界がある。

【００２８】そこで、本実施の形態では、引出し電極と
ボンディングパッドの少なくとも一方と、圧電薄膜との
間に、圧電薄膜よりも誘電率が小さい誘電体層を設ける
ことによって、容量Ｃ_fを小さくして、実効電気機械結
合係数の２乗ｋ² _effおよび規格化周波数可変幅を大きく
する。

【００２９】以下、本発明の一実施の形態に係る圧電バ
ルク振動子について説明する。図１は、本実施の形態に
係る圧電バルク振動子の構成を示す断面図である。この
圧電バルク振動子は、半導体基板１１と、この半導体基
板１１の上に形成されたバッファ層１２と、このバッフ
ァ層１２の上に形成された下部電極１３と、この下部電
極１３の上に形成された圧電性を有する圧電薄膜１４
と、この圧電薄膜１４の上に形成された上部電極１５
と、圧電薄膜１４の上に形成され、圧電薄膜１４よりも
誘電率が小さい誘電体層２０と、この誘電体層２０の上
に形成されたボンディングパッド１７と、誘電体層２０
の上に形成され、ボンディングパッド１７と上部電極１
５とを接続する引出し電極１６とを備えている。半導体
基板１１には、バッファ層１２とは反対側よりビアホー
ル１８が形成され、このビアホール１８と半導体基板１
１の上面との間に、振動部を構成するダイアフラム部１
９が形成されている。

【００３０】このように構成された圧電バルク振動子
は、上部が開放されたパッケージ２１内に収納され、ダ
イボンド剤２１によってパッケージ２２の底部に接合さ
れている。下部電極１３とボンディングパッド１７に
は、それぞれ、配線用のワイヤ２３，２４が接続されて
いる。パッケージ２２の上部は、ふた２５によって封止
されている。

【００３１】半導体基板１１は、例えば、（１００）面
を持つＳｉ単結晶によって形成されている。バッファ層
１２は、例えば、半導体基板１１側より順に積層された
酸化シリコン層、酸化ジルコニア層およびチタン酸バリ
ウム層によって形成されている。下部電極１３は、例え
ば、白金によって形成されている。バッファ層１２およ
び下部電極１３は、半導体基板１１の上面全体の領域に
形成されている。

【００３２】圧電薄膜１４は、例えば、半導体基板１１
１に垂直な方向にｃ軸を持つＰｂ（Ｚｒ_0.25Ｔｉ_0.75)
Ｏ₃からなるエピタキシャル膜によって形成されてい
る。この圧電薄膜１４の対称性は点群４ｍｍに属し、ａ
軸とｂ軸方向はそれぞれ、Ｓｉ半導体基板１１の＜０１
１＞軸とｂｃ面内で且つ＜０１１＞軸と垂直な方向を向
いている。圧電薄膜１４の厚さは、例えば、０．５μｍ
である。また、圧電薄膜１４の比誘電率は２４０であ
る。

【００３３】誘電体層２０は、例えば、比誘電率が３．
４のＳｉＯ₂薄膜によって形成されている。誘電体層２
０の厚さは、例えば、０．２μｍである。

【００３４】上部電極１５、引出し電極１６およびボン
ディングパッド１７は、例えば、金薄膜によって形成さ
れている。圧電薄膜１４、上部電極１５、誘電体層２
０、引出し電極１６およびボンディングパッド１７は、
例えば、フォトリソグラフィ技術を用いて所望の形状に
形成される。引出し電極１６およびボンディングパッド
１７は、本発明における導電部に対応する。

【００３５】ビアホール１８は、例えば、アルカリエッ
チャントを用いたエッチングによって形成される。ビア
ホール１８の寸法は、上部電極１５で励振された厚み方
向の縦振動のエネルギを閉じ込めることができるよう
に、上部電極１５よりも大きめにされる。ビアホール１
８を形成する際には、振動部の機械的強度を保持するた
めに、半導体基板１１の上部を薄く残すことにより、ダ
イアフラム部１９を形成する。

【００３６】次に、本実施の形態に係る圧電バルク振動
子の作用について説明する。圧電バルク振動子の下部電
極１３とボンディングパッド１７には、ワイヤ２３，２
４を介して、励振用の高周波電圧が印加される。これに
より、下部電極１３と上部電極１５によって挟まれた圧
電薄膜１４に厚み方向の縦振動が発生され、共振を生じ
る。

【００３７】次に、図１に示した構成の圧電バルク振動
子において、引出し電極１６の面積とボンディングパッ
ド１７の面積を変化させた場合における実効電気機械結
合係数の２乗ｋ² _effの変化について考察する。ここで
は、圧電バルク振動子の電気的共振特性を測定し、得ら
れた特性から実効電気機械結合係数の２乗ｋ² _effを見積
もっている。上部電極１５の形状は、４０μｍ×４０μ
ｍとした。また、下記の表に示したように引出し電極１
６の面積とボンディングパッド１７の面積を変えたサン
プルＳ６、Ｓ７を用意した。

【００３８】

【表２】

【００３９】また、各サンプルＳ６、Ｓ７について、引
出し電極１６と下部電極１３との間の容量とボンディン
グパッド１７と下部電極１３との間の容量との和の容量
Ｃ_fと、上部電極１５と下部電極１３との間の容量Ｃ₀を
求めた。これらの容量は、圧電バルク振動子に５０ＭＨ
ｚの電圧を印加して、そのインピーダンス値の面積依存
性から見積もった。

【００４０】各サンプルＳ６、Ｓ７についてのｌｏｇ
［Ｃ_f／Ｃ₀］と実効電気機械結合係数の２乗ｋ² _effとの
関係を図５に示す。

【００４１】図５から、図４に示したように誘電体層２
０を有しない圧電バルク振動子のサンプルＳ１〜Ｓ５
と、本実施の形態に係る圧電バルク振動子のサンプルＳ
６、Ｓ７を併せて、実効電気機械結合係数の２乗ｋ² _eff
と、容量比Ｃ_f／Ｃ₀との相関が、次の式（１）で表わさ
れることが判明した。

【００４２】ｋ² _eff＝12.548(C_f/C₀)²-41.661(C_f/C₀)+36.896 …（１）

【００４３】次に、図５を用いて、通信システムの革新
につながる広い規格化周波数可変幅を得るための条件に
ついて考察する。共振周波数（中心周波数）が２ＧＨｚ
の帯域で、周波数可変幅１５ＭＨｚを得るためには、実
効電気機械結合係数の２乗ｋ ² _effとしては１０％以上必
要である。従って、この場合には、図５から、次の式
（２）が要求される。

【００４４】log₁₀(C_f/C₀)≦0.85 …（２）

【００４５】本実施の形態では、引出し電極１６および
ボンディングパッド１７と、圧電薄膜１４との間に、圧
電薄膜１４よりも誘電率が小さい誘電体層２０を設けて
いる。従って、引出し電極１６と下部電極１３との間の
容量とボンディングパッド１７と下部電極１３との間の
容量との和の容量Ｃ_fは、引出し電極１６およびボンデ
ィングパッド１７と下部電極１３との間における圧電薄
膜１４による容量と、引出し電極１６およびボンディン
グパッド１７と下部電極１３との間における誘電体層２
０による容量とを直列に接続した場合の合成容量とな
る。ここで、本実施の形態では、例えば、誘電体層２０
の比誘電率が３．４、圧電薄膜１４の誘電率が２４０で
ある。誘電体層２０の比誘電率が、この程度、圧電薄膜
１４の誘電率よりも小さい場合には、容量Ｃ_fは、引出
し電極１６およびボンディングパッド１７と下部電極１
３との間における誘電体層２０による容量にほぼ等しく
なる。その結果、誘電体層２０を設けない場合に比べ
て、容量Ｃ_fを小さくすることができる。従って、本実
施の形態に係る圧電バルク振動子によれば、引出し電極
１６やボンディングパッド１７の面積を小さくしなくと
も、容易に、式（２）を満たすことができ、２ＧＨｚ帯
等の高周波数帯域で動作し、規格化周波数可変幅の大き
な圧電バルク振動子を実現することができる。

【００４６】次に、誘電体層２０の比誘電率をε₁、厚
さをｔ₁とし、引出し電極１６およびボンディングパッ
ド１７が圧電薄膜１４を挟んで下部電極１３と対向する
部分の面積をＳ₁とし、圧電薄膜１４の比誘電率をε₂、
厚さをｔ₂とし、上部電極１５と下部電極１３が圧電薄
膜１４を挟んで対向する部分の面積をＳ₂とする。上述
のように、容量Ｃ_fが、引出し電極１６およびボンディ
ングパッド１７と下部電極１３との間における誘電体層
２０による容量とほぼ等しい場合には、式（２）より、
次の式（３）の関係が得られる。

【００４７】Ｓ₁ε₁ｔ₂≦Ｓ₂ε₂ｔ₁×10^0.85 …（３）

【００４８】従って、本実施の形態に係る圧電バルク振
動子では、式（３）を満たすようにすることが好まし
い。

【００４９】また、共振周波数（中心周波数）が２ＧＨ
ｚの帯域で、周波数可変幅４０ＭＨｚを得るためには、
実効電気機械結合係数の２乗ｋ² _effとしては２８％以上
必要である。従って、この場合には、式（２）と同様の
考え方から、図５から、次の式（４）が要求される。

【００５０】log₁₀(C_f/C₀)≦0.25 …（４）

【００５１】この場合には、式（４）より、次の式
（５）の関係が得られる。Ｓ₁ε₁ｔ₂≦Ｓ₂ε₂ｔ₁×10^0.25 …（５）

【００５２】従って、特に広い規格化周波数可変幅の大
きな圧電バルク振動子を実現する場合には、式（５）を
満たすようにすることが好ましい。

【００５３】ところで、圧電薄膜としてＺｎＯ薄膜を用
いた従来から知られている圧電バルク振動子において、
ＺｎＯ薄膜と引出し電極やボンディングパッドとの間
に、ＺｎＯ薄膜よりも誘電率の小さな誘電体を挟んで
も、ＺｎＯ薄膜の比誘電率が約１１なので、共振特性の
改善効果は大きくない。これに対し、圧電薄膜として比
誘電率が２００以上のＰｂ含有ペロブスカイト強誘電体
単結晶薄膜やＫＮｂＯ₃薄膜を用いた圧電バルク振動子
の場合には、圧電薄膜と引出し電極やボンディングパッ
ドとの間に、圧電薄膜よりも誘電率の小さな誘電体を挟
むことによる共振特性の改善効果は絶大である。

【００５４】次に、本実施の形態に係る圧電バルク振動
子の実施例について説明する。［第１の実施例］本実施の形態に係る圧電バルク振動子
の第１の実施例では、Ｓｉ半導体基板１１上に、バッフ
ァ層１２として、酸化シリコン、酸化ジルコニア層、チ
タン酸バリウム層を順に形成し、その上に白金を用いた
下部電極１３を形成した。本実施例では、更に、下部電
極１３の上に、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法
や多元蒸着法やＲＦ（高周波）マグネトロンスパッタ法
等により、厚さ０．５μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン
酸鉛）のエピタキシャル薄膜を作製した。このＰＺＴエ
ピタキシャル薄膜では、ＺｒとＴｉの比を２５：７５と
した。

【００５５】本実施例では、次に、エピタキシャル薄膜
の上に、厚さ０．１μｍの金薄膜を形成し、エッチング
により、所定の寸法の上部電極１５を形成した。本実施
例では、更に、不必要なエピタキシャル薄膜を除去し
て、所望の寸法の圧電薄膜１４を形成した。本実施例で
は、次に、圧電薄膜１４上において、引出し電極１６お
よびボンディングパッド１７が形成される領域に、真空
蒸着法やＲＦマグネトロンスパッタ法、およびリフトオ
フ法により、厚さ０．２μｍのＳｉＯ₂薄膜による誘電
体層２０を形成した。本実施例では、更に、誘電体層２
０の上に、金薄膜を形成し、エッチングにより、所定の
寸法の引出し電極１６およびボンディングパッド１７を
形成した。本実施例では、次に、半導体基板１１を裏面
側からエッチングすることにより、所定の位置に、厚さ
約５μｍのダイアフラム１９を形成した。ここで、上部
電極１５、引出し電極１６、ボンディングパッド１７の
寸法は、それぞれ、４０μｍ×４０μｍ、２０μｍ×１
５０μｍ、１５０μｍ×１５０μｍとした。このように
して、１枚の半導体基板１１に対して多数の圧電バルク
振動子が形成される。

【００５６】本実施例では、次に、多数の圧電バルク振
動子が形成された半導体基板１１を、ダイシング装置を
用いて、各圧電バルク振動子に対応したチップに分割し
た。そして、このチップを、ダイボンド剤２１を用い
て、パッケージ２２に搭載し、ワイヤー２３，２４を用
いて配線し、ふた２５で封止して、パッケージ化された
圧電バルク振動子を完成させた。

【００５７】図２は、本実施例の圧電バルク振動子につ
いて測定して得られた電気的共振特性を示している。図
中の実線は、本実施例の圧電バルク振動子の特性を示
し、破線は、本実施例の圧電バルク振動子との比較のた
めに作成した誘電体層２０を有しない圧電バルク振動子
の特性を示している。図２に示した特性から、共振周波
数と反共振周波数を求め、実効電気機械結合係数の２乗
ｋ² _effを見積もると、本実施例の圧電バルク振動子では
４８．５％となり、比較例では５．５％となった。

【００５８】［第２の実施例］次に、本実施の形態に係
る圧電バルク振動子の第２の実施例について説明する。
本実施例の圧電バルク振動子は、誘電体層２０の厚さが
０．５μｍであること以外は、第１の実施例と同様であ
る。

【００５９】図３は、本実施例の圧電バルク振動子につ
いて測定して得られた電気的共振特性を示している。図
中の実線は、本実施例の圧電バルク振動子の特性を示
し、破線は、本実施例の圧電バルク振動子との比較のた
めに作成した誘電体層２０を有しない圧電バルク振動子
の特性を示している。図２に示した特性から、共振周波
数と反共振周波数を求め、実効電気機械結合係数の２乗
ｋ² _effを見積もると、本実施例の圧電バルク振動子では
５０．０％となり、比較例では２．６％となった。

【００６０】また、図２および図３から分かるように、
本実施の形態に係る圧電バルク振動子によれば、反共振
周波数でのインピーダンスレベルが十分大きくなり、共
振周波数でのインピーダンスと反共振周波数でのインピ
ーダンスとの差も大きくなり、良好な共振特性を得るこ
とができる。

【００６１】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れず、種々変更が可能である。例えば、実施の形態で
は、圧電薄膜１４としてＰＺＴエピタキシャル薄膜を使
用したが、圧電薄膜１４としては、この他に、例えば特
開平９−３２１３６２号公報に記載されたｃ軸配向した
Ｐｂ含有ペロブスカイト強誘電体単結晶薄膜を用いても
よい。

【００６２】また、実施の形態では、誘電体層２０を、
引出し電極１６およびボンディングパッド１７と圧電薄
膜１４との間に設けたが、誘電体層２０を、引出し電極
１６とボンディングパッド１７の一方と圧電薄膜１４と
の間にのみ設けてもよい。

【００６３】また、誘電体層２０は、引出し電極１６と
ボンディングパッド１７の少なくとも一方と圧電薄膜１
４との間だけでなく、式（２），（３）等の所望の条件
を満たす範囲において、上部電極１５と圧電薄膜１４と
の間にも形成されていてもよい。

【００６４】また、誘電体層２０は、ＳｉＯ₂薄膜に限
らず、圧電薄膜１４よりも誘電率が小さい誘電体で形成
されていればよい。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし７
のいずれかに記載の圧電バルク振動子によれば、圧電性
を有する圧電薄膜と、圧電薄膜を挟んで対向するように
配置された一対の電極と、圧電薄膜の少なくとも一方の
面側に配置され、同じ面側に配置された電極に励振用電
圧を印加するために用いられる導電部とを備えた圧電バ
ルク振動子において、導電部とこの導電部に対して圧電
薄膜を挟んで対向する電極との間に、圧電薄膜よりも誘
電率が小さい誘電体層を設けたので、高周波数帯域で動
作し、規格化周波数可変幅の大きな圧電バルク振動子を
実現することができるという効果を奏する。

【００６６】また、請求項７記載の圧電バルク振動子に
よれば、誘電体層の比誘電率をε₁、厚さをｔ₁とし、導
電部が圧電薄膜を挟んで電極と対向する部分の面積をＳ
₁とし、圧電薄膜の比誘電率をε₂、厚さをｔ₂とし、一
対の電極が圧電薄膜を挟んで対向する部分の面積をＳ₂
としたとき、Ｓ₁ε₁ｔ₂≦Ｓ₂ε₂ｔ₁×10^0.85という関係
が成り立つようにしたので、特に、中心周波数が２ＧＨ
ｚの帯域で１５ＭＨｚの周波数可変幅を得ることができ
るという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る圧電バルク振動子
の構成を示す断面図である。

【図２】本発明の一実施における第１の実施例の圧電バ
ルク振動子について測定して得られた電気的共振特性を
示す特性図である。

【図３】本発明の一実施における第２の実施例の圧電バ
ルク振動子について測定して得られた電気的共振特性を
示す特性図である。

【図４】本発明の一実施の形態に係る圧電バルク振動子
との比較のための圧電バルク振動子の構成を示す断面図
である。

【図５】図１に示した構成の圧電バルク振動子および図
４に示した構成の圧電バルク振動子における実効電気機
械結合係数の２乗ｋ² _effの容量依存性を示す特性図であ
る。

【図６】従来の圧電バルク振動子の構成を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１１…半導体基板、１２…バッファ層、１３…下部電
極、１４…圧電薄膜、１５…上部電極、１６…引出し電
極、１７…ボンディングパッド、１８…ビアホール、１
９…ダイアフラム部、２０…誘電体層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電性を有する圧電薄膜と、前記圧電薄膜を挟んで対向するように配置された一対の
電極と、前記圧電薄膜の少なくとも一方の面側に配置され、同じ
面側に配置された電極に励振用電圧を印加するために用
いられる導電部と、少なくとも、前記導電部とこの導電部に対して前記圧電
薄膜を挟んで対向する電極との間に設けられ、前記圧電
薄膜よりも誘電率が小さい誘電体層とを備えたことを特
徴する圧電バルク振動子。
【請求項２】前記導電部は、ボンディングパッドと、
このボンディングパッドと前記電極とを接続する引出し
電極の少なくとも一方を含むことを特徴する請求項１記
載の圧電バルク振動子。
【請求項３】前記圧電薄膜は、エピタキシャル膜であ
ることを特徴する請求項１または２記載の圧電バルク振
動子。
【請求項４】更に、前記圧電薄膜を保持する半導体基
板を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
かに記載の圧電バルク振動子。
【請求項５】更に、前記半導体基板と前記圧電薄膜と
の間に配置されたバッファ層を備えたことを特徴とする
請求項４記載の圧電バルク振動子。
【請求項６】前記半導体基板は、振動部を構成するダ
イアフラム部を有することを特徴とする請求項４または
５記載の圧電バルク振動子。
【請求項７】前記誘電体層の比誘電率をε₁、厚さを
ｔ₁とし、前記導電部が前記圧電薄膜を挟んで電極と対
向する部分の面積をＳ₁とし、前記圧電薄膜の比誘電率
をε₂、厚さをｔ₂とし、前記一対の電極が前記圧電薄膜
を挟んで対向する部分の面積をＳ₂としたとき、Ｓ₁ε₁ｔ₂≦Ｓ₂ε₂ｔ₁×10^0.85 という関係が成り立つことを特徴する請求項１ないし６
のいずれかに記載の圧電バルク振動子。