JP2004235886A

JP2004235886A - 圧電薄膜素子

Info

Publication number: JP2004235886A
Application number: JP2003021017A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Nakamura; 僖良中村; Arata Doi; 新土井; Yasuaki Ishida; 泰昭石田
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: JP4339604B2

Abstract

【課題】新たな製造工程を増やすことを抑制した状態で、ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子など圧電薄膜素子の温度特性を改善する。
【解決手段】音響多層膜１０５を構成する音響インピーダンスの低い低音響インピーダンス層を、圧電薄膜１０７の遅延時間温度係数とは逆の符号となる遅延時間温度係数の材料からなるＳｉＯ_２層１０３，ＳｉＯ_２層１０４とし、圧電薄膜１０７に最も近い最上層のＳｉＯ_２層１０４の膜厚を、１／４λより厚くする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の上に音響多層膜を介して設けられた圧電薄膜を備えた圧電薄膜素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、コンピュータや通信機器などの電子機器は、振動子より得られる規則的な信号（高周波信号）に基づいて処理が行われている。また、これらの電子機器においては、振動子の厚み振動を利用した周波数フィルターにも用いられている。このように電子機器に利用されている振動子（圧電振動子）には、従来より水晶などの圧電材料からなる圧電板が用いられており、基本共振周波数を高くするためには、圧電板を薄くすればよい。例えば、板厚を３０〜４０μｍ程度とすることで、５０ＭＨｚ程度の共振周波数が得られている。
【０００３】
しかしながら、これ以上のより高い基本共振周波数を得るためには、板厚をより薄くすることになるが、板厚を薄くすればするほど、機械加工が困難となり、また、実用的な機械強度が得られない。
これに対し、基板の上に、音響多層膜を介してλ／２の厚さを有する圧電薄膜を設けたＳＭＲ（ＳｏｌｉｄｌｙＭｏｕｎｔｅｄＲｅｓｏｎａｔｏｒ）型の圧電薄膜振動子が開発されている（非特許文献１）。
【０００４】
近年、通信システムの超高周波帯への移行が進められているなかで、上記圧電薄膜振動子は、超高周波帯で安定に動作させることが可能な超高周波用弾性波素子として注目されている。
ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子は、基板の上に音響インピーダンスの異なる２種類の薄膜（λ／４）を交互に積層した音響多層膜の上に、λ／２の厚さの圧電薄膜を形成したものである。
【０００５】
この構成によれば、圧電薄膜は、音響多層膜により基板から音響的に切り離され、Ｑ値の高い共振を得ることが可能になる。また、圧電薄膜の下面全域が音響多層膜により固定されているので、安定した動作が可能となる。
また、ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子に、ＳｉＯ_２の薄膜を付加して温度特性を改善する技術が提案されている（非特許文献２）。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｋ．Ｍ．Ｌａｋｉｎ，ｅｔａｌ． ”ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭｉｎｉａｔｕｒｅＦｉｌｔｅｒｓｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１２，ｐ２９３３，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１９９５．
【非特許文献２】
Ｋ．Ｍ．Ｌａｋｉｎ，ｅｔａｌ．”ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＴｈｉｎＦｉｌｍＲｅｓｏｎａｔｏｒ”，ＩＥＥＥＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍｐａｐｅｒ３Ｈ−２，Ｏｃｔｏｂｅｒ２４，２０００．
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術では、温度特性を改善するためには、新たな膜を付加する必要があるため、素子を製造する工程が長くなってしまうという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、新たな製造工程を増やすことを抑制した状態で、ＳＭＲ（ＳｏｌｉｄｌｙＭｏｕｎｔｅｄＲｅｓｏｎａｔｏｒ）型の圧電薄膜振動子など圧電薄膜素子の温度特性を改善することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電薄膜素子は、
基板の上に配置され、高音響インピーダンス層，これより音響インピーダンスの低い低音響インピーダンス層の順に積層されて最上層が低音響インピーダンス層とされた音響多層膜と、この音響多層膜の上に形成された第１電極膜と、この第１電極膜の上に形成された圧電薄膜と、この圧電薄膜の上に形成された第２電極膜とを少なくとも備え、低音響インピーダンス層の遅延時間温度係数は、圧電薄膜の遅延時間温度係数とは逆の符号であり、最上層の低音響インピーダンス層は、圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４より厚くもしくは薄く形成されたものである。
この圧電薄膜素子では、音響多層膜を構成している最上層の低音響インピーダンス層により、圧電薄膜における周波数温度特性を逆の方向に変化させ、最上層の低音響インピーダンス層を圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４より厚くするもしくは薄くすることで、圧電薄膜素子の共振周波数温度係数を０に近づける。
【０００９】
上記圧電薄膜素子において、圧電薄膜素子の共振周波数温度係数は、最上層の低音響インピーダンス層を圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４の厚さとした場合の共振周波数温度係数より０に近いものとなている。
また、上記圧電薄膜素子において、最上層の低音響インピーダンス層を除く低音響インピーダンス層は、圧電薄膜の共振周波数の音波が低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４の厚さに形成し、高音響インピーダンス層は、圧電薄膜の共振周波数の音波が高音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４の厚さに形成しておけばよい。この状態で、最上層の低音響インピーダンス層を、圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の実質的に０．４７倍の厚さに形成すれば、圧電薄膜素子の共振周波数温度係数をほぼ「０」とすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における圧電薄膜素子（ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子）の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。この圧電薄膜素子は、まず、単結晶シリコンなどから構成された基板１０１の上に、ＺｎＯ層（高音響インピーダンス層）１０２とＳｉＯ_２層（低音響インピーダンス層）１０３とが交互に積層されて最上層がＳｉＯ_２層１０４とされた音響多層膜１０５を備えている。音響多層膜１０５は、例えば、８層以上積層されている。
【００１１】
音響多層膜１０５の上には、電極膜１０６，１０８に挟まれた例えばＺｎＯからなる圧電薄膜１０７が形成されている。また、電極膜１０６，１０８は、例えば、膜厚５ｎｍ程度のＣｒ膜と膜厚３０ｎｍ程度のＡｕ膜とから構成されたものである。ここで、単独の状態とした圧電薄膜１０７の共振周波数をＦ_０とすると、圧電薄膜１０７の膜厚は、周波数Ｆ_０の音波が単独の圧電薄膜１０７を伝搬するときの波長λの半分としたものである。
【００１２】
ところで、上記の膜厚は、一般に、「圧電薄膜１０７の膜厚は、１／２λの厚さを有する」と表現される。以降では、各層の膜厚について、「λ」を用いた記載とする。例えば、「ＳｉＯ_２層１０３の膜厚は、１／４λである」とは、ＳｉＯ_２層１０３の膜厚は、周波数Ｆ_０の音波が単独のＳｉＯ_２層１０３を伝搬するときの波長λの１／４であることを示している。従って、「λ」の値は、各層において異なるものとなる。
【００１３】
ここで、圧電薄膜１０７の膜厚を、例えば７００ｎｍ程度に形成すれば、図１の圧電薄膜素子の共振周波数は３ＧＨｚ程度となる。ただし、図１に示す圧電薄膜素子の場合、共振周波数は、圧電薄膜１０７の厚さだけではなく、電極膜１０６，１０８にも影響され、圧電薄膜１０７の厚さより算出される理論値からずれるものである。電極膜１０６，１０８による影響が大きい場合は、例えば圧電薄膜１０７の厚さを、適宜変更すればよい。
【００１４】
音響多層膜１０５において、ＺｎＯ層１０２は高音響インピーダンス層として機能し、ＳｉＯ_２層１０３は、低音響インピーダンス層として機能する。これらは、相対的なものである。音響多層膜１０５を構成するＺｎＯ層１０２，ＳｉＯ_２層１０３の膜厚は、各々λ／４の厚さとすれば良く、例えば、ＺｎＯ層１０２は０．４１μｍ，ＳｉＯ_２層１０３は０．４６μｍ程度とすればよい。
音響多層膜１０５により、圧電薄膜１０７と基板１０１とが音響的にアイソレートされることになり、Ｑ値の高い共振を得ることができるようになる。また、圧電薄膜１０７が、音響多層膜１０５により、全面で保持されるため、安定した動作が可能となる。
【００１５】
音響多層膜１０５の層数の増加に伴い、圧電薄膜１０７から基板１０１の方向を見た負荷インピーダンスが小さくなる。従って、音響多層膜１０５を、例えば８層以上の多層とすることで、圧電薄膜１０７を両面自由な状態に近づけることが可能となり、Ｑ値の高い共振を実現することが可能となる。
加えて、本実施の形態では、低音響インピーダンス層の１つであるＳｉＯ_２層１０４の膜厚ｄ_１を、他のＳｉＯ_２層１０３の膜厚ｄ_２より厚く形成することで、図１に示す圧電薄膜素子の共振周波数温度係数（ＴＣＦ）を、より「０」に近づけるようにした。ＴＣＦが「０」に近いということは、周波数温度特性が良いこととなる。
【００１６】
発明者らの調査により、圧電薄膜１０７に最も近い最上層のＳｉＯ_２層であるＳｉＯ_２層１０４の膜厚をλ／４より厚くすることで、図１に示す圧電薄膜素子のＴＣＦを「０」に近づけることが可能となることが判明した（図２）。図２より明らかなように、ＳｉＯ_２層１０４の膜厚ｄ_１を０．４７λ程度とすることで、ＴＣＦをほぼ０とできる。なお、図２は、電極膜１０６，１０８の厚さは０として解析を行った結果である。
【００１７】
ＳｉＯ_２の薄膜（非晶質）は、酸化亜鉛からなる圧電薄膜１０７とは、遅延時間温度係数（ＴＣＤ）が互いに逆符号であり、このような材料を、音響多層膜１０５の低音響インピーダンス層として用いることで、上述したように、図１に示す圧電薄膜素子のＴＣＦを「０」に近づけることが可能となる。また、本実施の形態によれば、新たな層を付加することなく、図１に示す圧電薄膜素子のＴＣＦを「０」に近づけることが可能となる。
【００１８】
なお、ＺｎＯからなる圧電薄膜１０７を用いた図１の圧電薄膜素子の場合、最上層にあるＳｉＯ_２層１０４の膜厚をλ／４とすると、図１に示す圧電薄膜素子のＴＣＦの絶対値が「０」より大きいものとなっている。この場合の、圧電薄膜素子のＴＣＦの符号は、圧電薄膜１０７のＴＣＤと同じであるため、この実施の形態では、ＳｉＯ_２層１０４の膜厚をλ／４より厚くすることで、図１に示す圧電薄膜素子のＴＣＦをより「０」に近づけた。
【００１９】
これに対し、最上層にある逆符号のＴＣＤを有する低音響インピーダンス層の膜厚をλ／４より厚くすると、圧電薄膜素子のＴＣＦが「０」より離れる場合もある。このような場合、最上層にある逆符号のＴＣＤを有する低音響インピーダンス層の膜厚をλ／４より薄くすることで、圧電薄膜素子のＴＣＦをより「０」に近づければよい。
【００２０】
ここで、発明者らの調査により、音響多層膜１０５の最上層であるＳｉＯ_２層１０４の膜厚をλ／４より厚くすると、以下に示すように、圧電薄膜素子の他の特性に影響を与えることが判明した。図３は、音響多層膜１０５の最上層であるＳｉＯ_２層１０４の膜厚をλ／４より厚くすることで、圧電薄膜素子の実効的電気機械結合係数（Ｋ^２）が、低下することを示している。これは、ＳｉＯ_２層１０４に含まれる振動エネルギーが大きくなるためと考えられる。なお、図３は、電極膜１０６，１０８の厚さは０として解析を行った結果である。
【００２１】
つぎに、ＳｉＯ_２層１０４の膜厚をパラメータとして圧電薄膜素子の各部における振動エネルギーを振動変位｜ｕ｜として図４及び図５に示す。図４と図５において、変化のピークを比較すると、ＳｉＯ_２層１０４を膜厚λ／４とした場合（図４）のＳｉＯ_２層１０４に含まれる振動エネルギーよりも、ＳｉＯ_２層１０４の膜厚（ｄ_１）を０．４７λとした場合（図５）の方が大きくなっている。なお、図４，５は、ＺｎＯ層１０２，ＳｉＯ_２層１０３の積層数を８層とした音響多層膜１０５の場合を例にしたものである。
【００２２】
また、図４と図５との比較から明らかなように、基板１０１に洩れるエネルギーが、ｄ_１を０．４７λとした場合の方が大きく、このことが、Ｑ値を下げる要因となっている。なお、Ｑ値は、固有振動を起こした際の共振特性の鋭さの度合いを表すものである。
【００２３】
以上のことをふまえ、発明者らは、ＳｉＯ_２層１０４の膜厚（ｄ_１）に加え、ＳｉＯ_２層１０３の膜厚（ｄ_２）及びＺｎＯ層１０２の膜厚を各々変化させ、ＴＣＦが「０」になる組み合わせについて調査した。この調査結果を図６に示す。図６に示すように、ｄ_２が変化することによっても、Ｋ^２やＱ値が変化している。また、ｄ_１については、ＴＣＦ＝０を満足する２つの領域が存在していることが判る。
【００２４】
このなかで、ｄ_１＝０．４７λの付近では、Ｋ^２が大きくなるとＱ値が小さくなる傾向があり、圧電薄膜素子に要求される特性に応じてｄ_１を設定した方がよいことが判る。
また、ｄ_１＝０．７５λ付近では、Ｋ^２とＱ値のどちらも同じ位置でピークになっている。これは、ＳｉＯ_２層１０４の膜厚（ｄ_１）が３／４λとなるところに相当し、ＳｉＯ_２層１０４にλ／２の厚さを有するＳｉＯ_２層が付加されている状態と考えられる。この結果、ｄ_１＝０．７５λ付近では、Ｋ^２とＱ値のピークが一致するものと考えられる。ただし、図７に示すように、ＳｉＯ_２層１０４の膜厚がλ／２増えたため、ＳｉＯ_２層１０４に含まれる振動エネルギーが大きくなり、Ｋ^２は、ｄ_１＝０．４６λ〜０．４８λ付近より低くなっている。
【００２５】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、まず、音響多層膜１０５の低音響インピーダンスの層を圧電薄膜１０７と異なる符号の周波数温度特性を備えたＳｉＯ_２から構成した。加えて、ＺｎＯ層１０２，ＳｉＯ_２層１０３の膜厚をλ／４とした状態で、ＳｉＯ_２層１０４の膜厚をλ／４より大きくすることで、圧電薄膜素子の周波数温度特性を改善するようにした。このなかで、ＳｉＯ_２層１０４の膜厚を、０．４７λとすることで、図１の圧電薄膜素子のＴＣＦをほぼ「０」とすることが可能となる。
【００２６】
また、図６にも示したように、ＳｉＯ_２層１０３をλ／４より厚く形成し、ＳｉＯ_２層１０４は、ＳｉＯ_２層１０３より厚く形成することで、ＴＣＦ＝０を満足し、かつＱ値やＫ^２を要求される特性とすることが可能となる。
近年、通信量の加速度的な増加に伴って通信システムのより一層の高周波化が要求されている中で、上述した本実施の形態における圧電薄膜素子によれば、超高周波で使用できる温度特性の良い弾性波素子を提供できるようになる。
【００２７】
なお、上述では、圧電薄膜として酸化亜鉛を用い、高音響インピーダンス層に酸化亜鉛の層を用い、低音響インピーダンス層にＳｉＯ_２の層を用いるようにしたが、これに限るものではない。
他の圧電材料を圧電薄膜として用い、この圧電材料と異なる符号のＴＣＤを有する材料を低音響インピーダンス層に用い、これより音響インピーダンスの高い材料を高音響インピーダンス層に用いても同様である。
【００２８】
例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），硫化カドミウム（ＣｄＳ），ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３の固溶体），水晶，ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）などを圧電薄膜の材料として用いることができる。圧電材料にＡｌＮを用いる場合、低音響インピーダンス層にはＳｉＯ_２を用い、高音響インピーダンス層にはＡｌＮを用いればよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、音響多層膜を構成する音響インピーダンスの低い低音響インピーダンス層に、圧電薄膜の遅延時間温度係数とは逆の符号となる遅延時間温度係数を備えた材料を用い、かつ、最上層の低音響インピーダンス層は、圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４より厚くもしくは薄くするなど、圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４とは異なる厚さにした。
この結果、本発明によれば、新たな製造工程を増やすことなく、圧電薄膜における周波数温度特性を逆の方向に変化させ、圧電薄膜素子の周波数温度特性を改善し、例えば、共振周波数温度係数を０に近づけることができるという優れた効果が得られる。
【００３０】
また、例えば、最上層の低音響インピーダンス層以外の他の低音響インピーダンス層は、圧電薄膜の共振周波数の音波が低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４λより厚く形成し、最上層の低音響インピーダンス層は、他の低音響インピーダンス層より厚く形成するなかで、各膜厚を適宜設定することで、圧電薄膜素子の周波数温度特性をほぼ「０」とした状態で、Ｑ値やＫ^２を変化させて所望の値と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における圧電薄膜素子（ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子）の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図２】音響多層膜の最上層であるＳｉＯ_２層１０４の厚さによるＴＣＦの変化を示す特性図である。
【図３】音響多層膜の最上層であるＳｉＯ_２層１０４の厚さによるＫ^２の変化を示す特性図である。
【図４】音響多層膜１０５が８層の場合の振動変位分布を示す分布図である。
【図５】音響多層膜１０５が８層で、ＳｉＯ_２層１０４の厚さｄ_１＝０．４７λとしたときの振動変位分布を示す分布図である。
【図６】ＴＣＦ＝０を満足する場合のＳｉＯ_２層１０４の厚さｄ_１とＫ^２，Ｑ値との関係を示す相関図である。
【図７】ＳｉＯ_２層１０４の厚さｄ_１＝０．７５λ，ＳｉＯ_２層１０３の厚さｄ_２＝０．２５λとしたときの振動変位分布を示す分布図である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…ＺｎＯ層、１０３…ＳｉＯ_２層、１０４…ＳｉＯ_２層、１０５…音響多層膜、１０６…電極膜、１０７…圧電薄膜、１０８…電極膜。

Claims

基板の上に配置され、高音響インピーダンス層，これより音響インピーダンスの低い低音響インピーダンス層の順に積層されて最上層が前記低音響インピーダンス層とされた音響多層膜と、
この音響多層膜の上に形成された第１電極膜と、
この第１電極膜の上に形成された圧電薄膜と、
この圧電薄膜の上に形成された第２電極膜と
を少なくとも備え、
前記低音響インピーダンス層の遅延時間温度係数は、前記圧電薄膜の遅延時間温度係数とは逆の符号であり、
最上層の前記低音響インピーダンス層は、前記圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の前記低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４より厚く形成された
ことを特徴とする圧電薄膜素子。
基板の上に配置され、高音響インピーダンス層，これより音響インピーダンスの低い低音響インピーダンス層の順に積層されて最上層が前記低音響インピーダンス層とされた音響多層膜と、
この音響多層膜の上に形成された第１電極膜と、
この第１電極膜の上に形成された圧電薄膜と、
この圧電薄膜の上に形成された第２電極膜と
を少なくとも備え、
前記低音響インピーダンス層の遅延時間温度係数は、前記圧電薄膜の遅延時間温度係数とは逆の符号であり、
最上層の前記低音響インピーダンス層は、前記圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の前記低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４より薄く形成された
ことを特徴とする圧電薄膜素子。
請求項１または２記載の圧電薄膜素子において、
前記圧電薄膜素子の共振周波数温度係数は、最上層の前記低音響インピーダンス層を前記圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の前記低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４の厚さとした場合の共振周波数温度係数より０に近い
ことを特徴とする圧電薄膜素子。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電薄膜素子において、
最上層の前記低音響インピーダンス層を除く低音響インピーダンス層は、前記圧電薄膜の共振周波数の音波が前記低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４の厚さに形成され、
前記高音響インピーダンス層は、前記圧電薄膜の共振周波数の音波が前記高音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４の厚さに形成された
ことを特徴とする圧電薄膜素子。
請求項４記載の圧電薄膜素子において、
最上層の前記低音響インピーダンス層は、
前記圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の前記低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の実質的に０．４７倍の厚さに形成された
ことを特徴とする圧電薄膜素子。