JP2001044794A

JP2001044794A - 圧電共振子

Info

Publication number: JP2001044794A
Application number: JP11217017A
Authority: JP
Inventors: Yasuyo Kamigaki; 耕世神垣; Kenichi Yoshimura; 健一吉村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-07-30
Publication date: 2001-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】1 ＧＨｚ以上の高周波数に対応し、かつ破損や
変形による誤動作が少なく長寿命で、簡単な構造で安価
にかつ容易に製造でき、圧電特性に優れた圧電共振子を
提供する。【解決手段】基体１１と、該基体１１上にその表面から
突出して設けられた振動壁１２と、該振動壁１２の側面
に設けられた１対の電極１４とを具備してなるととも
に、振動壁１２が振動壁１２の厚み方向に振動するもの
である。また、基体１１と振動壁１２との材料を変える
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は携帯電話、無線ＬＡ
Ｎ等に用いられる圧電共振子に関し、特に、圧電体の厚
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】近年、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。特に、無線通信においては２ＧＨｚ近傍のマ
イクロ波が主流になりつつあり、既に数ＧＨｚ以上の規
格策定の動きもあることから、その高い周波数に対応し
た安価で高性能なフィルターが求められている。

【０００３】最近広く用いられているのは、固体の表面
を伝わる音響波である表面弾性波の共振を利用した表面
弾性波共振子（ＳＡＷＲ）を用いたフィルターである。
すなわち、ＳＡＷＲは、固体表面上に形成した櫛形の電
極間に高周波電界を印加し、表面弾性波との共振を利用
する。このフィルターは、バンドパスフィルターとして
非常に優れた周波数選択特性を有している。

【０００４】しかしながら、ＳＡＷＲは、その櫛形電極
間距離と共振周波数とが反比例の関係にあるため、１Ｇ
Ｈｚを越える周波数領域では櫛形電極間距離が１μｍ以
下となり、電極作製が非常に困難であった。

【０００５】そこで、近年では、圧電性を示す薄膜の厚
み縦振動を利用したバルク弾性波共振子（ＢＡＷＲ）が
提案されている。これは、入力される高周波電気信号に
対して圧電体が振動を起こし、圧電体の厚さ方向に共振
することを用いた共振子である。

【０００６】このＢＡＷＲを構成する圧電体は、１μｍ
以下の膜厚でも高い精度で制御可能であるため、ＳＡＷ
Ｒ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。

【０００７】従来のＢＡＷＲとしては、図７に示すよう
に、基体１と、該基体１表面上に形成された支持膜２
と、該支持膜２上に形成されたバッファー層３と、該バ
ッファー層３上に形成された第１電極４と、該第１電極
４上に形成された圧電体５と、該圧電体５上に形成され
た２つの第２電極６とからなるものである（ＵＳＰ４，
３２０，３６５号公報）。

【０００８】このＢＡＷＲでは、第１電極４と圧電体５
と第２電極とにより振動体が構成され、第１電極４と第
２電極６との間に高周波電界が印加されることにより、
振動体、並びにその下方に形成されたバッファー層３
と、支持膜２が振動し、振動部分となる。支持膜２の振
動部分は振動空間Ａに露出している。

【０００９】また、基体の一部を除去する代りに、支持
膜の一部を基体表面から離す中空構造を形成して、振動
部分と基体との音響的な分離を実現している例も、特開
昭６１−１２７２１６号公報に開示されている。

【００１０】この構造は、図８に示すように、基体１
と、該基体１表面上に形成された支持膜２と、該支持膜
２上に形成された第１電極４と、該第１電極４上に形成
された圧電体５と、該圧電体５上に形成された２つの第
２電極６とからなるものである。この例では、基体を除
去するのではなく、支持膜形成後に支持膜２の下に形成
された層を除去し中空構造にすることによって、基体１
と支持膜２との間に振動空間Ａが形成されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ＢＡＷＲでは、振動体の下方に支持膜を介して振動空間
を形成する必要があり、構造および工程が複雑であり、
また振動体を支持しうるに十分な強度を有する支持膜が
得られないという問題があった。

【００１２】即ち、基体と支持膜間には熱膨張差に起因
する残留応力が発生する。また支持膜・第１電極・圧電
体・第２電極はいずれも薄膜であり、薄膜形成プロセス
によりこれらの膜自体に内部応力が発生し、この内部応
力は積層することによりさらに増加する。

【００１３】一方、支持膜は振動空間Ａに露出している
ので、支持膜により振動体を支持しており、残留応力と
内部応力とが支持膜強度を実質的に低下させ、製造中、
取扱い時、作動中に支持膜が割れやすく、製造歩留まり
が低く製品の寿命が短いという問題があった。

【００１４】また、上述した残留応力や内部応力を緩和
しようとする支持膜により、圧電共振子全体の反りや撓
みを誘発するという問題があった。

【００１５】さらに、図７や図８に示す従来のＢＡＷＲ
では、基体上に支持膜などの薄膜を真空プロセスで作製
した後に、大気中におけるアルカリ処理を伴う化学的な
ウェットプロセスで振動空間を作製し、次に真空プロセ
スに戻して振動体を形成するという非効率な処理が必要
であった。これが、プロセスの複雑化とコスト高を招い
ていた。

【００１６】本発明の目的は、破損や変形による誤動作
が少なく長寿命であり、簡単な構造で安価にかつ容易に
製造できるＧＨｚ以上の高周波に対応した圧電共振子を
提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電共振子は、
該基体上にその表面から突出して設けられた圧電体から
なる振動壁と、該振動壁の対向する側面に設けられた１
対の電極とを具備するものであり、振動壁が強誘電体お
よび／または単結晶からなることが好ましい。また、こ
の振動壁の主成分が、基体の主成分と異なることが望ま
しい。

【００１８】

【作用】本発明の圧電共振子では、基体表面から突出し
た振動壁の側面に１対の電極を有する構造のため、振動
壁はその厚み方向に振動する。したがって、基体には振
動がほとんど伝達しないので、振動空間を設ける必要が
ない。すなわち、支持膜のない構造を採用できるため、
支持膜が原因となる割れの問題を回避できる。

【００１９】また、従来の圧電共振子では、振動する部
分に対する支持膜の厚みの割合が大きいために、共振周
波数を著しく低下させていたが、本発明の圧電共振子で
は支持膜のない構造とをとるために、共振周波数を高く
維持することができる。

【００２０】さらに、本発明では、基体上に設けた振動
壁と１対の電極とで構成されており、従来よりも薄膜層
数が少なく、コスト低下に寄与できる。特に本発明で
は、圧電共振子は支持膜のない構造であり、したがって
大気中でのアルカリ水溶液による基体除去処理を除くこ
とができる。これにより、真空プロセスのみで製造が可
能となり、オートメーションプロセスによる処理時間の
短縮ができる。その結果、さらにコスト低減、生産性向
上が可能となる。

【００２１】ところで、圧電体として強誘電体を用いる
と、大きな自発分極を保有するために、電気機械結合係
数が大きくなり、バンド幅の大きな広帯域フィルターを
実現できる。また、強誘電体膜は、圧電体の圧電性を任
意の方向に揃えることができるので、製造が容易であ
り、圧電体の特性を最大限に引き出すことができる。

【００２２】一方、圧電単結晶を用いると、ＳＡＷ共振
子と同様に優れた圧電特性、音響特性を示す。さらに
は、ＳＡＷ共振子が１／４波長の表面波を用いるのに対
し、本発明では、１／２波長の厚み縦振動を用いる為、
ＳＡＷ共振子と同じ圧電体厚みで２倍の共振周波数が得
られるという特徴がある。

【００２３】さらに本発明では、基体の主成分を振動壁
の主成分と異なったものにすると、基体の種類に関係な
く、圧電共振子を形成できる。即ち、基体をＳｉ、Ｇａ
Ａｓに限定することなく、振動壁をアルミナＬＳＩパッ
ケージ基板等の任意の基体へ直接形成できるため、高い
集積度を実現できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の圧電共振子は、基体の上
に突出して設けられた振動壁と、この振動壁の側面に設
けられた１対の電極とを具備した薄膜圧電共振子であ
る。すなわち、本発明の圧電共振子は、図１に示すよう
に、基体１１と、該基体１１の表面から突出した振動壁
１２が設けられている。該振動壁１２の側面には、１対
の電極１４が設けられている。

【００２５】ここで、１対の電極１４に高周波電界が印
加されると、振動壁１２と１対の電極１４とが振動す
る。振動は振動壁１２の厚み方向に発生する。すなわ
ち、図１の矢印で示すように、基体表面に平行な方向に
振動する厚み縦振動を用いており、振動壁１２内に振動
エネルギーが閉じこめられ、基体１１への振動エネルギ
ーの漏れが抑制される。したがって、基体に振動がほと
んど伝わらなので、従来の構造で用いられた支持膜は不
要となる。

【００２６】振動壁１２は、気相合成法またはゾルゲル
法による薄膜形成法および／またはエッチング法等を利
用して形成することが出来る。振動壁１２の厚みは使用
する共振子の周波数帯にもよるが、２μｍ以下であるこ
とが望ましい。これは、厚み縦振動により１ＧＨｚ以上
の高い共振周波数を得るためには、電極１４間距離が２
μｍ以下になることが必要だからである。

【００２７】電極１４は、ＣＶＤ法、スパッタ法、真空
蒸着法、イオンプレーティング法などの気相合成法によ
り作製して得られる。高い共振周波数を得るためには、
電極の膜厚は、０．０５〜０．３μｍの厚みが望まし
く、特には０．１〜０．２μｍが好ましい。

【００２８】基体１１は、例えばアルミナ、サファイ
ア、シリコン、ガリウム砒素、窒化アルミニウムまたは
窒化珪素のような無機物であり、強誘電体薄膜を形成で
きる平坦な表面を保有していれば、特に限定するもので
はない。

【００２９】また、振動体１２を構成する圧電体として
は、強誘電体が好ましい。これは、強誘電体が大きな自
発分極を保有し、大きな圧電性が得られるためである。
すなわち、圧電体として強誘電体を用いると、大きな自
発分極を保有するため、電気機械結合係数が大きく、こ
のためバンド幅の大きな広帯域フィルターを実現でき
る。

【００３０】また、本発明の圧電共振子においては、圧
電体からなる振動壁は厚み方向に振動するモードの厚み
縦振動を用いるため、圧電体の圧電性は基体の表面に平
行に発現する必要がある。しかし、ＺｎＯやＡｌＮなど
の圧電体を用いると、分極の方向が決まっているため
に、基体の表面に平行にｃ軸を配向させる必要があり、
これは技術的に困難である。

【００３１】一方、強誘電体は自発分極を任意の方向に
揃えることができるので、圧電体として強誘電体膜を用
いることは、本発明の圧電共振子の製造を容易にするた
めに好ましい。

【００３２】特に、Ｐｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃のよう
なペロブスカイト型構造をもつ強誘電体薄膜は、大きな
自発分極を保有し、大きな圧電性が得られるから好適で
ある。ペロブスカイト型構造をもつ強誘電体として上記
Ｐｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃やＰｂＴｉＯ₃、ＢａＴｉ
Ｏ₃などがある。

【００３３】また、ペロブスカイト構造以外の強誘電体
薄膜、例えばタングステンブロンズ構造をもつＳｒ₂Ｋ
Ｎｂ₅Ｏ₁₅なども使用できる。

【００３４】これらの強誘電体の中で、特にＰｂ（Ｚｒ
_1-xＴｉ_x）Ｏ₃を基本組成としたものが好ましい。そ
れは、Ｐｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）Ｏ₃を基本組成としたも
のが、薄膜にしても大きな圧電性を示すからである。Ｂ
ａＴｉＯ₃やＳｒ₂ＫＮｂ₅Ｏ₁₅などの強誘電体は結晶
粒のサイズが小さくなると強誘電性が減少するサイズ効
果が大きく、薄膜にすると強誘電性に起因した大きな圧
電性が得られないからである。

【００３５】電極１４には、従来より多く用いられてい
るＡｌ、Ａｕ等の金属材料を用いることができる。圧電
体への質量負荷が小さく圧電振動を抑制し難い事と電気
抵抗率が小さく共振子のＱ値の低下が小さい事からＡｌ
が望ましい。

【００３６】また、電極１４と外部電極との電気的接続
のために、取り出し電極を形成して用いることは言うま
でもない。

【００３７】尚、本発明の圧電共振子は、アルミナ等の
基体に、ゾルゲル法、スパッタ法等の薄膜作製、積層技
術によって強誘電体膜を形成し、反応性イオンエッチン
グ法等により振動壁１２以外の強誘電体薄膜を除去し、
長尺形状を形成する。次に、１対の電極層１４をＣＶＤ
法、スパッタ法、真空蒸着法等により作製し、加工した
後、１対の電極１４の間に強誘電体の抗電界より大きい
直流電界を印可することにより、強誘電体を分極し、共
振子を作製することが可能である。

【００３８】以上のように構成された圧電共振子では、
基体１１には、その表面から突出した振動壁１２が設け
てあり、この振動壁１２は図１に矢印で示したように振
動壁の厚み方向に振動し、基体１１には振動がほとんど
伝達しないので、特別に振動空間を設ける必要がなく、
これにより、支持膜のない構造が可能となるため、簡単
な構造で製造工程も簡略化でき、さらに支持膜の割れ等
も考慮する必要がなく、長寿命化を促進できる。

【００３９】また、基体１１表面に振動壁１２を形成し
ており、３次元的な構造であり、かつ振動壁１２に強誘
電体を用いているので、振動壁１２の設置面積を小さく
できるとともに、振動壁１２の数またはその大きさを任
意に決定できるために、フィルターを小型化できる。

【００４０】また、図２のように、基体２１側およびそ
の反対側の振動壁２２には電極２４の形成されていない
部分が存在する圧電共振子では、電極２４が形成された
部分の振動壁２２に振動エネルギーがさらに効率よく閉
じこめられるため、損失が小さくなるので好ましい。

【００４１】図３は本発明の他の例を示すもので、基体
３１と振動壁３２とが同一材料であり、かついずれも単
結晶である。圧電単結晶は、例えばＬｉＮｂＯ₃、Ｌｉ
ＴａＯ₃やＳｒ_1-xＢａ_xＮｂ₂Ｏ₆のようなものが使
用できる。

【００４２】この圧電共振子は、圧電性単結晶である基
体３１を、反応性イオンエッチング法等により長尺状に
エッチング加工した後、１対の電極層３４をＣＶＤ法、
スパッタ法、真空蒸着法等により作製し、加工した後、
１対の電極３４に長尺状の圧電性単結晶の抗電界より大
きい直流電界を印可することにより、分極処理し、共振
子を作製することが可能である。なお、実際には、図４
に示したように、取り出し電極３６を形成した振動子を
形成することができる。

【００４３】従来のＢＡＷＲでは支持体としてＳｉＯ₂
膜のようなアモルファス膜が使用されていたが、超音波
の減衰が大きく、Ｑ値・電気機械結合係数の低下によ
り、損失が大きかった。しかし、振動壁３１を単結晶で
構成すると、振動を効率よく維持することができ、エネ
ルギーロスが減少して損失を小さくすることができる。
これにより、共振子の特性を高くすることができる。

【００４４】また、本発明では、圧電単結晶を用いるた
めに、ＳＡＷ共振子と同様な圧電特性、音響特性を示
す。また、ＳＡＷ共振子が１／４波長の表面波を用いる
のに対して、本発明では、１／２波長の厚み縦振動を用
いる為、ＳＡＷ共振子と同一の電極間隔で２倍の共振周
波数を得ることができる。

【００４５】また振動の振幅の方向が、電極面に直交し
た縦波である為、電極と圧電体の界面におけるストレス
が小さく、大きな電極間隔とあいまって、大きな耐電力
性を示す事ができる。さらに、基板の表面に平行方向に
生じる厚み縦振動を用いる為、振動エネルギーは基板に
漏れることなく、ＳＡＷＲと同様に高いＱの共振を得る
事ができる。

【００４６】

【実施例】実施例１本発明の圧電共振子と従来の圧電共振子を作製して、歩
留まりを調べ、共振周波数に対するインピーダンス特性
の解析を行った。

【００４７】最初に、図２の構造を持つ本発明の圧電共
振子を作製した。すなわち、幅１０ｍｍ、長さ１０ｍ
ｍ、厚さ２ｍｍのサファイア基板上にＰＺＴからなる強
誘電体薄膜を形成した。次に、この強誘電体薄膜上に幅
１μｍで長さ５０μｍのレジストパターンを形成し、Ｃ
Ｆ₄ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、１
μｍ幅、長さ５０μｍの直方体領域を残してＰＺＴをエ
ッチング除去し、サファイア基板上に振動壁を形成し
た。振動壁の高さは約５μｍである。

【００４８】この振動壁の両面に、電極として膜厚５０
ｎｍのＡｌ薄膜を形成した。電極のサイズは、１対の電
極が圧電体を介して対向する領域が幅１μｍ、長さ４８
μｍである。電極形成部分は、基体面から２μｍ離れて
形成されている。このようにして試作した圧電共振子１
００個のうちで、３個に不良が見られた。

【００４９】また、比較として、図７の圧電共振子を作
製した。まず、Ｓｉウエハーを基体をとし、ＲＣＡ法に
より洗浄した後、支持膜となる薄膜を形成した。すなわ
ち、スパッタ法によりＳｉ基体上にＳｉＯ₂膜を１．５
μｍの厚みに形成した。

【００５０】次に、Ｓｉ基体裏面にフォトレジスト法を
用いてパターン形成を行い、ＫＯＨ溶液を用いて選択的
にエッチングを行って図７の振動空間Ａを作製した。こ
の溶液処理は高濃度のアルカリ溶液中に２４時間試料を
浸し、純水による洗浄を行った。エッチングの保護膜に
は窒化珪素膜を用いている。ＫＯＨの異方性エッチング
により振動空間の形状は台形状の凹部となる。

【００５１】さらに、支持膜上に第１電極、圧電体、第
２電極の各層をスパッタ法を用いて形成した。第１電極
材料にはＰｔを０．１μｍの厚みで形成し、圧電体材料
にはＰＺＴを１μｍの厚みに成膜した。また、第２電極
はＡｌ膜を０．１μｍ形成した。なお、パターン形成に
は全てメタルマスクを用いた。

【００５２】このように、処理装置も複雑になり、多種
類の装置、機器や薬品を使用する必要があった。このよ
うに作製した個々の素子を一枚のウエハから切出すダイ
シングを行ったところ、３ｍｍ×３ｍｍのサイズで、圧
電共振子１００個中９４個に素子の破損が発生してい
た。また、支持膜は薄膜プロセスで形成したために膜に
内部応力が発生し、基体と支持膜の界面で剥離が発生し
ていた。試作した圧電共振子１００個のうちで、５８個
に剥離が見られた。

【００５３】さて、このように作製した２つの圧電共振
子は、分極処理を行った後に、両電極間に高周波電場を
印加して解析した。本発明および比較の結果をそれぞれ
図５、図６に記載した。

【００５４】本発明の共振子においては、図５から、圧
電体の厚さに対応する基本波の共振が、約１．４５ＧＨ
ｚの周波数で強く励振されていることがわかる。

【００５５】一方、従来の共振子は、図６から、約０．
６ＧＨｚの周波数で、基本波が強く励振されている。こ
れは、非圧電体で膜厚の大きなＳｉＯ₂膜とＰＺＴ膜形
成に適したＰｔ電極の振動体に対する質量負荷が大きい
ために、電気機械結合係数の大きな基本波の周波数が大
きく減少することがわかる。

【００５６】また、電気機械結合係数は、基本波に比べ
て小さくなるが、より高い共振周波数を利用できる２次
波においても、共振周波数は１．１ＧＨｚであり、本発
明の圧電共振子に比べて低い周波数しか得られていな
い。

【００５７】実施例２圧電単結晶としてＹ−カットＬｉＮｂＯ₃を用いた。Ｌ
ｉＮｂＯ₃単結晶表面に幅１μｍで長さ１００μｍのレ
ジストパターンを形成する。この時パターンの長さ方向
がＬｉＮｂＯ₃のＺ軸方向に直交するようにパターニン
グする。全体のサイズは１ｍｍ×１ｍｍである。

【００５８】次に、ＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエ
ッチング法により、１μｍ幅、長さ１００μｍの直方体
領域を残してＬｉＮｂＯ₃をエッチング除去し、高さは
約５μｍの振動壁を形成した。

【００５９】さらに、ＣＶＤ法によりＡｌ薄膜を直方体
全面に形成した後、その上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタ
アクリレート）レジスト膜をコートし、電子線描画によ
り、図１に示した電極パターンを描画する。ＣＣｌ₄ガ
スを用いた反応性イオンエッチングにより、Ａｌ電極の
パターニングを行い、レジストを除去して本発明の共振
子を作製した。

【００６０】圧電共振特性は、ネットワークアナライザ
とＲＦ用マイクロプローバを用いてＳパラメーターを測
定することによって評価した。本発明の共振子におい
て、共振周波数は、１．５８ＧＨｚであった。

【００６１】比較例としてＬｉＮｂＯ₃単結晶をもちい
て、従来プロセスによりアルミニウム薄膜による櫛形電
極を形成し、ＳＡＷ共振子を作製した。１対の櫛形電極
は、１μｍ幅の電極指を、１μｍ間隔で対向させた。各
電極指の数は１００である。本発明の共振子と同様に圧
電共振特性を測定した結果、共振周波数は０．８４ＧＨ
ｚであった。

【００６２】

【発明の効果】本発明の圧電共振子では、基体上に、そ
の表面から突出して形成された振動壁を設け、その側面
に電極を形成することにより、従来の圧電共振子におい
て用いられていた支持膜を必要とせず、簡単な構造で、
製造中における破損を防止できるとともに、作製プロセ
スも簡略化できるため、コストを大きく下げることがで
きる。また、振動壁に単結晶を用いることにより、ＳＡ
ＷＲと同様に高いＱ値を得る事ができるとともに、高い
共振周波数と大きな耐電力性とが得られる。さらに、基
体と振動壁とを異なる材料にすることにより、アルミナ
等の絶縁基板へ直接圧電共振子を形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電共振子を示す斜視図である。

【図２】本発明の他の圧電共振子を示す斜視図である。

【図３】本発明のさらに他の圧電共振子を示す斜視図で
ある。

【図４】本発明のさらに他の圧電共振子を示す斜視図で
ある。

【図５】本発明の圧電共振子の周波数とインピーダンス
との関係を示す図である。

【図６】従来の圧電共振子の周波数とインピーダンスと
の関係を示す図である。

【図７】従来の圧電共振子を示す断面図である。

【図８】従来の他の圧電共振子を示す断面図である。

【符号の説明】１１・・・基体１２・・・振動壁１４・・・電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体と、該基体上にその表面から突出して
設けられた圧電体からなる振動壁と、該振動壁の対向す
る側面に設けられた１対の電極とを具備してなることを
特徴とする圧電共振子。
【請求項２】振動壁が強誘電体および／または単結晶か
らな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】振動壁の主成分が、基体の主成分と異なる
ことを特徴とする請求項１または２記載の圧電共振子。