JP2007274660A - 圧電薄膜デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスにおいて、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくする。
【解決手段】圧電薄膜共振子１においては、圧電体薄膜１４が接着層１２を介して支持基板１１に支持されている。圧電体薄膜１４の上面及び下面には、それぞれ、所定のパターンを有する上面電極１５及び下面電極１３が形成されている。また、圧電体薄膜１４の上面には、励振領域１４１の外側に質量を付加する付加膜１６が上面電極１５の上に重ねて形成されている。
【選択図】図１
【解決手段】圧電薄膜共振子１においては、圧電体薄膜１４が接着層１２を介して支持基板１１に支持されている。圧電体薄膜１４の上面及び下面には、それぞれ、所定のパターンを有する上面電極１５及び下面電極１３が形成されている。また、圧電体薄膜１４の上面には、励振領域１４１の外側に質量を付加する付加膜１６が上面電極１５の上に重ねて形成されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスに関する。
従来、圧電薄膜デバイスを構成する圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ；Film Bulk Acoustic Resonator）は、圧電体薄膜の両主面に、振動が励振される励振領域において圧電体薄膜を挟んで対向する励振電極をそれぞれ形成することにより得られていた（例えば、特許文献１参照）。
しかし、従来の圧電薄膜デバイスには、圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性が、期待しないモードの振動に起因するスプリアスの影響を受けやすいという問題があった。
本発明は、この問題を解決するためになされたもので、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスにおいて、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくすることを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスであって、圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜を支持する支持体と、前記圧電体薄膜の両主面に形成された、所定のパターンを有する電極膜と、前記圧電体薄膜の少なくとも一方の主面の振動が励振される励振領域の外側に形成された第１付加膜とを備える。
請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記第１付加膜が、前記励振領域の外郭に沿う外縁部に形成される。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記圧電体薄膜の前記第１付加膜が形成された主面の、前記第１付加膜が形成された領域の外側に形成された導電性の第２付加膜をさらに備える。
請求項４の発明は、請求項３に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記第２付加膜の膜厚が前記第１付加膜の膜厚より厚くなっている。
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記励振領域に厚み振動が励振される。
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記圧電体薄膜を構成する圧電体材料がニオブ酸リチウムであり、前記圧電体薄膜と前記支持基板とが接着層を介して接着される。
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記第１付加膜を構成する材料が金属である。
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記電極膜に重ねて形成された前記第１付加膜の単位面積あたりの質量が、前記励振領域における、前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記電極膜の単位面積あたりの質量との和の０．１％以上２０％以下である。
請求項９の発明は、請求項８に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記電極膜に重ねて形成された前記第１付加膜の単位面積あたりの質量が、前記励振領域における、前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記電極膜の単位面積あたりの質量との和の１％以上１０％以下である。
請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記第１付加膜が形成される領域が、前記支持基板から離隔された、前記励振領域を内包する領域の内部に広がっている。
請求項１ないし請求項１０の発明によれば、付加膜によって弾性波の伝播が妨げられるので、圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなる。
請求項２ないし請求項３の発明によれば、圧電薄膜デバイスの特性を向上可能である。
請求項４の発明によれば、励振領域へのエネルギー閉じ込めを実現できるので、圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなる。
請求項７の発明によれば、付加膜に電極膜としての機能を持たせることができる。
請求項８ないし請求項９の発明によれば、圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響をさらに受けにくくなる。
請求項１０の発明によれば、支持基板による支持の影響を避けることができる。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ；Film Bulk Acoustic Resonator）１の概略構成を示す斜視図である。図１には、説明の便宜上、左右方向をＸ軸方向、前後方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系が定義されている。この点は、後述する各図においても同様である。圧電薄膜共振子１は、圧電体薄膜１４に励振される厚み縦振動による電気的な応答を利用した共振子となっている。
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ；Film Bulk Acoustic Resonator）１の概略構成を示す斜視図である。図１には、説明の便宜上、左右方向をＸ軸方向、前後方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系が定義されている。この点は、後述する各図においても同様である。圧電薄膜共振子１は、圧電体薄膜１４に励振される厚み縦振動による電気的な応答を利用した共振子となっている。
図１に示すように、圧電薄膜共振子１は、支持基板１１の上に、接着層１２、下面電極１３、圧電体薄膜１４、上面電極１５及び付加膜１６をこの順序で積層した構造を有している。圧電薄膜共振子１において、圧電体薄膜１４の大きさは支持基板１１より小さくなっており、下面電極１３の一部は露出した状態となっている。
圧電薄膜共振子１の製造にあたっては、単独で自重に耐え得る圧電体基板を除去加工することにより圧電体薄膜１４を得ているが、除去加工によって得られる圧電体薄膜１４は単独で自重に耐え得ない。このため、圧電薄膜共振子１の製造にあたっては、除去加工に先立って、圧電体基板を含む所定の部材を、支持体となる支持基板１１にあらかじめ接着している。
○支持基板；
支持基板１１は、圧電薄膜共振子１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下面電極１３が下面に形成された圧電体基板を接着層１２を介して支持する支持体としての役割を有している。加えて、支持基板１１は、圧電薄膜共振子１の製造後に、下面電極１３が下面に形成され、上面電極１５が上面に形成された圧電体薄膜１４を接着層１２を介して支持する支持体としての役割も有している。したがって、支持基板１１には、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜共振子１の製造後にも強度が低下しないこととが要請される。
支持基板１１は、圧電薄膜共振子１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下面電極１３が下面に形成された圧電体基板を接着層１２を介して支持する支持体としての役割を有している。加えて、支持基板１１は、圧電薄膜共振子１の製造後に、下面電極１３が下面に形成され、上面電極１５が上面に形成された圧電体薄膜１４を接着層１２を介して支持する支持体としての役割も有している。したがって、支持基板１１には、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜共振子１の製造後にも強度が低下しないこととが要請される。
支持基板１１の材料及び厚さは、このような要請を満足するように、適宜選択することができる。ただし、支持基板１１の材料を、圧電体薄膜１４を構成する圧電材料と近い熱膨張率、より望ましくは、圧電体薄膜１４を構成する圧電材料と同じ熱膨張率を有する材料、例えば、圧電体薄膜１４を構成する圧電材料と同じ材料とすれば、圧電薄膜共振子１の製造途上において、熱膨張率の差に起因する反りや破損を抑制することができる。また、圧電薄膜共振子１の製造後において、熱膨張率の差に起因する特性変動や破損を抑制することができる。なお、熱膨張率に異方性がある材料を用いる場合、各方向の熱膨張率がともに同じとなるように配慮することが望ましい。また圧電材料と同じ材料を同じ方位で用いる場合もある。
圧電体薄膜１４の励振領域１４１に対向する支持基板１１の所定の領域には、円柱形状の陥没（凹部又は掘り込み）１１１が形成されている（図２（４））。陥没１１１は、圧電体薄膜１４の励振領域１４１の下方にキャビティ（空洞）を形成し、圧電体薄膜１４の励振領域１４１を支持基板１１から離隔させ、励振領域１４１に励振された振動が支持基板１１と干渉しないようにする役割を果たしている。
○接着層；
接着層１２は、圧電薄膜共振子１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下面電極１３が下面に形成された圧電体基板を支持基板１１に接着固定する役割を有している。加えて、接着層１２は、圧電薄膜共振子１の製造後に、下面電極１３が下面に形成され、上面電極１５が上面に形成された圧電体薄膜１４を支持基板１１に接着固定する役割も有している。したがって、接着層１２には、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜共振子１の製造後にも接着力が低下しないこととが要請される。
接着層１２は、圧電薄膜共振子１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下面電極１３が下面に形成された圧電体基板を支持基板１１に接着固定する役割を有している。加えて、接着層１２は、圧電薄膜共振子１の製造後に、下面電極１３が下面に形成され、上面電極１５が上面に形成された圧電体薄膜１４を支持基板１１に接着固定する役割も有している。したがって、接着層１２には、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜共振子１の製造後にも接着力が低下しないこととが要請される。
このような要請を満足する接着層１２の望ましい例としては、有機接着剤、望ましくは、充填効果を有し、接着対象が完全に平坦ではなくても十分な接着力を発揮するエポキシ接着剤（熱硬化性を利用するエポキシ樹脂の接着剤）やアクリル接着剤（光硬化性及び熱硬化性を併用するアクリル樹脂の接着剤）により形成された接着層１２を挙げることができる。このような樹脂を採用することにより、圧電体基板と支持基板１１との間に期待しない空隙が生じることを防止し、当該空隙により圧電体基板の除去加工時にクラック等が発生することを防止可能である。ただし、このことは、これ以外の接着層１２によって圧電体薄膜１４と支持基板１１とが接着固定されることを妨げるものではない。
○圧電体薄膜；
圧電体薄膜１４は、圧電体基板を除去加工することにより得られる。より具体的には、圧電体薄膜１４は、単独で自重に耐え得る厚み（例えば、５０μｍ以上）を有する圧電体基板を、単独で自重に耐え得ない膜厚（例えば、１０μｍ以下）まで除去加工で薄肉化することにより得られる。
圧電体薄膜１４は、圧電体基板を除去加工することにより得られる。より具体的には、圧電体薄膜１４は、単独で自重に耐え得る厚み（例えば、５０μｍ以上）を有する圧電体基板を、単独で自重に耐え得ない膜厚（例えば、１０μｍ以下）まで除去加工で薄肉化することにより得られる。
圧電体薄膜１４を構成する圧電材料としては、所望の圧電特性を有する圧電材料を選択することができるが、水晶（SiO2）、ニオブ酸リチウム(LiNbO3）、タンタル酸リチウム（LiTaO3）、四ホウ酸リチウム（Li2B4O7）、酸化亜鉛（ZnO）、ニオブ酸カリウム（KNbO3）及びランガサイト（La3Ga3SiO14）等の粒界を含まない単結晶材料を選択することが望ましい。圧電体薄膜１４を構成する圧電材料として単結晶材料を用いることにより、圧電体薄膜１４の電気機械結合係数及び機械的品質係数を向上させることができるからである。
また、圧電体薄膜１４における結晶方位も、所望の圧電特性を有する結晶方位を選択することができる。ここで、圧電体薄膜１４における結晶方位は、圧電薄膜共振子１の共振周波数や反共振周波数の温度特性が良好となる結晶方位とすることが望ましく、周波数温度係数が「０」となる結晶方位とすることがさらに望ましい。
圧電体基板の除去加工は、切削、研削及び研磨等の機械加工並びにエッチング等の化学加工等により行う。ここで、複数の除去加工方法を組み合わせ、加工速度が速い除去加工方法から、加工対象に生じる加工変質が小さい除去加工方法へと除去加工方法を段階的に切り替えながら圧電体基板を除去加工すれば、高い生産性を維持しつつ、圧電体薄膜１４の品質を向上し、圧電薄膜共振子１の特性を向上することができる。例えば、圧電体基板を固定砥粒に接触させて削る研削及び圧電体基板を遊離砥粒に接触させて削る研磨を順次行った後に、当該研磨によって圧電体基板に生じた加工変質層を仕上げ研磨により除去するようにすれば、圧電体基板を削る速度が早くなり、圧電薄膜共振子１の生産性を向上可能であるとともに、圧電体薄膜１４の品質を向上することにより、圧電薄膜共振子１の特性を向上可能である。なお、圧電体基板の除去加工のより具体的な方法については、後述する実施例において説明する。
このような圧電薄膜共振子１では、圧電体薄膜１４をスパッタリング等により成膜した場合と異なり、圧電体薄膜１４を構成する圧電材料や圧電体薄膜１４における結晶方位が下地の制約を受けないので、圧電体薄膜１４を構成する圧電材料や圧電体薄膜１４における結晶方位の選択の自由度が高くなっている。したがって、圧電薄膜共振子１では、所望の特性を実現することが容易になっている。
○上面電極及び下面電極；
続いて、図１及び図２を参照しながら、上面電極１５及び下面電極１３について説明する。ここで、図２（１）は、上方から見た場合の上面電極１５及び付加膜１６のパターンを示しており、図２（２）は、上方から見た場合の下面電極１３のパターンを示している。また、図２（３）及び図２（４）は、それぞれ、図１のA-A及びB-Bの切断線における圧電薄膜共振子１の断面を示している。
続いて、図１及び図２を参照しながら、上面電極１５及び下面電極１３について説明する。ここで、図２（１）は、上方から見た場合の上面電極１５及び付加膜１６のパターンを示しており、図２（２）は、上方から見た場合の下面電極１３のパターンを示している。また、図２（３）及び図２（４）は、それぞれ、図１のA-A及びB-Bの切断線における圧電薄膜共振子１の断面を示している。
上面電極１５及び下面電極１３は、導電材料を成膜することにより得られた導電体薄膜である。
上面電極１５及び下面電極１３の膜厚は、圧電体薄膜１４への密着性、電気抵抗及び耐電力等を考慮して決定される。なお、圧電体薄膜１４の音速や膜厚のばらつきに起因する圧電薄膜共振子１の共振周波数や反共振周波数のばらつきを抑制するため、上面電極１５及び下面電極１３の膜厚を適宜調整するようにしてもよい。
上面電極１５及び下面電極１３を構成する導電材料は、特に制限されないが、アルミニウム（Al）、銀（Ag）、銅（Cu）、白金（Pt）、金（Au）、クロム（Cr）、ニッケル（Ni）、モリブデン（Mo）、タングステン(W)及びタンタル（Ta）等の金属から選択することが望ましい。もちろん、上面電極１５及び下面電極１３を構成する導電材料として合金を用いてもよい。また、複数種類の導電材料を重ねて成膜することにより、上面電極１５及び下面電極１３を形成してもよい。
図１及び図２に示すように、上面電極１５及び下面電極１３のうち、上面電極１５１及び下面電極１３１は、励振信号が印加される励振電極となっており、振動が励振される円形（典型的には、直径が３０μｍ〜３００μｍの円形）の励振領域１４１において、圧電体薄膜１４を挟んで対向している。圧電体薄膜１４の上面に形成された上面電極１５１は、励振領域１４１から−Ｘ方向に引き出され、その先端は外部配線の接続用のパット１５１Ｐとなっている。また、圧電体薄膜１４の下面に形成された下面電極１３１は、励振領域１４１から上面電極１５１とは逆の＋Ｘ方向に引き出され、その先端は外部配線の接続用のパット１３１Ｐとなっている。なお、圧電薄膜共振子１では、パット１３１Ｐへの外部配線の接続を可能ならしめるために、パット１３１Ｐの近傍の圧電体薄膜１４（図１において点線で図示した部分）が除去され、パット１３１Ｐが露出した状態となっている。このような上面電極１５１及び下面電極１３１により、圧電薄膜共振子１では、パット１５１Ｐ及び１３１Ｐを介して上面電極１５１及び下面電極１３１に励振信号が印加されると、上面電極１５１と下面電極１３１とが対向する励振領域１４１において圧電体薄膜１４の内部に電界Ｅが発生し、励振領域１４１に振動が励振される。
加えて、圧電薄膜共振子１においては、圧電体薄膜１４の上面の、励振電極となる上面電極１５１が形成されていない領域にも、上面電極１５１との間の間隙及び圧電体薄膜１４の縁辺を除くほぼ全面に、励振信号が印加されない上面電極１５２が形成されている。同様に、圧電体薄膜１４の下面の、励振電極となる下面電極１３１が形成されていない領域にも、下面電極１３１との間の間隙及び圧電体薄膜１４の縁辺を除くほぼ全面に、励振信号が印加されない下面電極１３２が形成されている。この上面電極１５２及び下面電極１３２により、圧電薄膜共振子１では、励振領域１４１以外の非励振領域１４２において圧電体薄膜１４の内部に発生する電界を抑制することができるようになっている。これにより、圧電薄膜共振子１では、期待しないモードの振動（ここでは、厚み縦振動以外の振動）を抑制することができ、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなっている。
ここで、上面電極１５２及び下面電極１３２は、圧電体薄膜１４の端面の短絡部１４３において短絡されている。このため、圧電薄膜共振子１では、短絡された上面電極１５２及び下面電極１３２が圧電体薄膜１４を挟んで対向している領域において、圧電体薄膜１４の上面及び下面の間の電位差がなくなり、圧電体薄膜１４の内部に発生する厚み方向の電界が抑制されることになり、期待しないモードの振動をさらに抑制することができ、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響をさらに受けにくくなっている。
なお、上面電極１５２及び下面電極１３２を接地してやれば、上面電極１５２及び下面電極１３２が形成されている領域において、圧電体薄膜１４の上面及び下面の電位がゼロに固定され、圧電薄膜共振子１における浮遊容量の影響が小さくなるので、上面電極１５及び下面電極１３は接地することが望ましい。
○付加膜；
図１及び図２に示すように、圧電体薄膜１４の上面には、励振領域１４１の外側に質量を付加する付加膜１６が上面電極１５の上に重ねて形成されている。
図１及び図２に示すように、圧電体薄膜１４の上面には、励振領域１４１の外側に質量を付加する付加膜１６が上面電極１５の上に重ねて形成されている。
付加膜１６を構成する材料は、特に制限されず、上面電極１５や下面電極１３と同様の導電材料であってもよいし、二酸化ケイ素（SiO2）等の絶縁材料であってもよい。ただし、付加膜１６を金属等の導電材料で形成すれば、付加膜１６に電極としての機能を持たせることができる。
付加膜１６は、励振領域１４１の外郭に沿う外縁部に形成され、上面電極１５１及び１５２の間の間隙部分が途切れた不完全円環パターンを有している。均一な厚さの上面電極１５及び下面電極１３に加えて、このような付加膜１６を形成することにより、励振電極（上面電極１５１及び下面電極１３１）の質量による周波数低下型のエネルギー閉じ込めを実現することができない場合でも、付加膜１６の質量により付加膜１６が形成された領域の共振周波数を励振領域１４１よりも低下させて弾性波の伝播を妨げ、励振領域１４１へのエネルギー閉じ込めを実現することができる。すなわち、圧電薄膜共振子１においては、付加膜１６により、期待しないモードの振動が抑制され、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなっている。なお、付加膜１６を絶縁材料で構成した場合、上面電極１５１及び１５２の短絡を考慮する必要がないので、図３に示すように、励振領域１４１の外縁部に円環パターンを有する付加膜１６を形成し、励振領域１４１を付加膜１６で完全に囲うこともできる。
ここで、圧電体薄膜１４は、励振領域１４１より若干大きな陥没１１１により、励振領域１４１を内包する領域（以下、「離隔領域」）１４４が支持基板１１から離隔されているが、付加膜１６は、離隔領域１４４とその外側との境界にまたがって形成され、すなわち、付加膜１６の不完全円環パターンの内側境界は、励振領域１４１の外郭と離隔領域１４４の外郭との間に位置しており、付加膜１６が形成される領域は、離隔領域１４４の内部に広がっている。これにより、圧電薄膜共振子１では、圧電体薄膜１４が支持基板１１に支持されることによる過剰なエネルギー閉じ込めが周波数インピーダンス特性に影響を与えることを防止している。換言すれば、圧電薄膜共振子１では、励振領域１４１から離隔領域１４４の外郭へいたる途上に付加膜１６が形成されているようにすることで、当該外郭が固定端となり、当該外郭における弾性波の反射に起因するスプリアスが周波数インピーダンス特性に影響を与えることを防止している。
このような付加膜１６の厚みは、質量効果により弾性波の伝播を阻害できるように決定すべきであるが、典型的に言えば、付加膜１６の単位面積あたりの質量（比重×厚さ）が、励振領域１４１における、圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量と励振電極（上面電極１５１及び下面電極１３１）の単位面積あたりの質量との和の０．１％以上２０％以下、より望ましくは、１％以上１０％以下となるようにすればよい。
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態に係る圧電薄膜フィルタ２の概略構成を示す斜視図である。圧電薄膜フィルタ２は、２個の圧電薄膜共振子をラダー型に接続したラダー型フィルタとなっている。
図４は、本発明の第２実施形態に係る圧電薄膜フィルタ２の概略構成を示す斜視図である。圧電薄膜フィルタ２は、２個の圧電薄膜共振子をラダー型に接続したラダー型フィルタとなっている。
図４に示すように、圧電薄膜フィルタ２は、支持基板２１の上に、接着層２２、下面電極２３（２３１〜２３３；図４には不図示、図５及び図６参照）、圧電体薄膜２４、上面電極２５（２５１〜２５３）及び付加膜２６，２７をこの順序で積層した構造を有している。第２実施形態の圧電薄膜フィルタ２は、第１実施形態の圧電薄膜共振子１と類似の積層構造を有しており、圧電薄膜フィルタ２の支持基板２１、接着層２２、下面電極２３、圧電体薄膜２４、上面電極２５及び付加膜２６は、下面電極２３、上面電極２５及び付加膜２６のパターンを除いては、それぞれ、圧電薄膜共振子１の支持基板１１、接着層１２、下面電極１３、圧電体薄膜１４、上面電極１５及び付加膜１６と同様のものとなっている。ただし、圧電薄膜フィルタ２の圧電体薄膜２４には、圧電体薄膜２４の上面及び下面を貫通するバイアホールＶＨ２１〜ＶＨ２３がエッチングにより形成されている。なお、以下では、圧電薄膜共振子１と同様の点についての重複説明は省略し、圧電薄膜共振子１とは異なる下面電極２３、上面電極２５及び付加膜２６のパターン並びに付加膜２７について特に説明する。
○上面電極及び下面電極；
図５は、上面電極２５、下面電極２３及び付加膜２６，２７のパターンを示す図であり、図５（１）は、上方から見た場合の上面電極２５及び付加膜２６，２７のパターンを示しており、図５（２）は、上方から見た場合の下面電極２３のパターンを示している。図５においては、付加膜２６が形成される領域には、４５度左下がりのハッチングが描かれており、付加膜２７が形成される領域には、４５度右下がりのハッチングが描かれている。また、図６は、図４のVI-VIの切断線における圧電薄膜フィルタ２の断面を示している。
図５は、上面電極２５、下面電極２３及び付加膜２６，２７のパターンを示す図であり、図５（１）は、上方から見た場合の上面電極２５及び付加膜２６，２７のパターンを示しており、図５（２）は、上方から見た場合の下面電極２３のパターンを示している。図５においては、付加膜２６が形成される領域には、４５度左下がりのハッチングが描かれており、付加膜２７が形成される領域には、４５度右下がりのハッチングが描かれている。また、図６は、図４のVI-VIの切断線における圧電薄膜フィルタ２の断面を示している。
図５及び図６に示すように、上面電極２５１は、細長矩形の励振領域２４１において、圧電体薄膜２４を挟んで下面電極２３２と対向し、ラダー型フィルタの直列共振子を構成している。上面電極２５１は、励振領域２４１から＋Ｙ方向へ引き出された後に延伸方向が＋Ｘ方向及び−Ｙ方向へ順次折り曲げられている。上面電極２５１の一部は、外部配線の接続用のパットＰ２１となっている。また、上面電極２５１は、励振領域２４１及び２４３以外の非励振領域２４２において、圧電体薄膜２４を挟んで下面電極２３１と対向している。
下面電極２３１は、上面電極２５１の駆動部（励振領域２４１に形成された部分）への励振信号の給電経路となる給電部と圧電体薄膜２４を挟んで対向している。
上面電極２５１と下面電極２３１とは、バイアホールＶＨ２１によって短絡されている。
上面電極２５３は、細長矩形の励振領域２４３において、圧電体薄膜２４を挟んで下面電極２３２と対向し、ラダー型フィルタの並列共振子を構成している。上面電極２５３は、励振領域２４３から−Ｙ方向へ引き出された後に延伸方向が−Ｘ方向及び＋Ｙ方向へ順次折り曲げられている。上面電極２５３の一部は、外部配線の接続用のパットＰ２２及びＰ２４となっている。また、上面電極２５３は、非励振領域２４２において、圧電体薄膜２４を挟んで下面電極２３３と対向している。
下面電極２３３は、上面電極２５１の駆動部（励振領域２４３に形成された部分）への励振信号の給電経路となる給電部と圧電体薄膜２４を挟んで対向している。
上面電極２５３と下面電極２３３とは、バイアホールＶＨ２３によって短絡されている。
上面電極２５２は、非励振領域２４２において、圧電体薄膜２４を挟んで下面電極２３２と対向している。上面電極２５２の一部は、外部配線の接続用のパットＰ２３となっている。
下面電極２３２は、励振領域２４１において、圧電体薄膜２４を挟んで上面電極２５１と対向するとともに、励振領域２４３において、圧電体薄膜２４を挟んで上面電極２５３と対向する。下面電極２３２の駆動部（励振領域２４１及び２４３に形成された部分）への励振信号の給電経路となる給電部は、非励振領域２４２において、圧電体薄膜２４を挟んで上面電極２５２と対向している。
上面電極２５２と下面電極２３２とは、バイアホールＶＨ２２によって短絡されている。したがって、圧電薄膜フィルタ２では、下面電極２３２への励振信号の給電は、パットＰ２３を介して行われる。
このような上面電極２５及び下面電極２３のパターンにより、圧電薄膜フィルタ２は、パットＰ２１及びＰ２２が第１の入出力端子対であり、パットＰ２３及びＰ２４が第２の入出力端子対であるような、双方向性のラダー型フィルタとなっている。
圧電薄膜フィルタ２においても、第１実施形態の圧電薄膜共振子１と同様に、圧電体薄膜２４の上面及び下面のほぼ全面に上面電極２５及び下面電極２３を形成するとともに、非励振領域２４２において圧電体薄膜２４の上面及び下面の間の電位差をなくしているので、非励振領域２４２において圧電体薄膜２４の内部に電界が発生することはなく、ラダー型フィルタの直列共振子及び並列共振子の主共振に副共振が重畳することが抑制されている。
○付加膜；
図４〜図６に示すように、圧電体薄膜２４の上面には、励振領域２４１及び２４３の各々の外側に質量を付加する付加膜２６が上面電極２５の上に重ねて形成されている。付加膜２６は、励振領域２４１及び２４３の各々の外郭に沿う外縁部に形成され、上面電極２５１〜２５３の間の間隙部分が途切れた不完全矩形環パターンを有している。
図４〜図６に示すように、圧電体薄膜２４の上面には、励振領域２４１及び２４３の各々の外側に質量を付加する付加膜２６が上面電極２５の上に重ねて形成されている。付加膜２６は、励振領域２４１及び２４３の各々の外郭に沿う外縁部に形成され、上面電極２５１〜２５３の間の間隙部分が途切れた不完全矩形環パターンを有している。
付加膜２６の材質や厚みは、第１実施形態の圧電薄膜共振子１の付加膜１６と同様に決定することができる。付加膜２６により、圧電薄膜フィルタ２では、励振領域２４１及び２４３へのエネルギー閉じ込めを実現することができるので、ラダー型フィルタの直列共振子及び並列共振子の主共振に重畳する副共振を抑制することができるとともに、ラダー型フィルタの直列共振子と並列共振子との干渉を防止することもでき、濾波特性がリップルの影響を受けにくくなっている。
さらに、圧電薄膜フィルタ２では、圧電体薄膜２４の上面において、付加膜２６が形成された領域の外側に導電性の付加膜２７がさらに形成されている。付加膜２７の材質は、特に制限されないが、アルミニウム（Al）、銀（Ag）、銅（Cu）、白金（Pt）、金（Au）、クロム（Cr）、ニッケル（Ni）、モリブデン（Mo）、タングステン(W)及びタンタル（Ta）等の金属から選択することが望ましい。もちろん、付加膜を構成する導電材料として合金を用いてもよい。また、複数種類の導電材料を重ねて成膜することにより、付加膜を形成してもよい。
付加膜２７は、上面電極２５の駆動部への励振信号の給電経路となる上面電極２５の給電部の電気抵抗を低下させる役割を果たしている。したがって、付加膜２７の材質は、上で列記した金属の中でも、銀、銅又は金等の抵抗率が小さい金属から選択することが特に望ましい。この付加膜２７により、圧電薄膜フィルタ２の特性の向上、特に、挿入損失の低下を図ることができる。加えて、圧電薄膜フィルタ２では、第１実施形態の圧電薄膜共振子１と同様に、圧電体薄膜２４の上面及び下面のほぼ全面に上面電極２５及び下面電極２３をそれぞれ形成するとともに、非励振領域２４２において圧電体薄膜２４の上面及び下面の間の電位差をなくしている。これにより、圧電薄膜フィルタ２でも、非励振領域２４２において圧電体薄膜２４の内部に電界が発生することはなくなっており、ラダー型フィルタの直列共振子及び並列共振子の主共振に副共振が重畳することを抑制することに成功している。さらに、圧電薄膜フィルタ２では、付加膜２７を上面電極２５に積層して上面電極２５の電気抵抗を低下させているので、非励振領域２４２において圧電体薄膜２４の内部に発生する電界をさらに効果的に抑制することができるようになっている。このため圧電薄膜フィルタ２では、付加膜２７の存在により、ラダー型フィルタの直列共振子及び並列共振子の主共振に副共振が重畳することをさらに効果的に抑制できている。
また、圧電薄膜フィルタ２では、第１実施形態の圧電薄膜共振子１と同様に、付加膜２６によって、励振領域２４１及び２４３へのエネルギー閉じ込めが実現しているので、付加膜２６が形成された領域の外側に形成された付加膜２７の状態は、励振領域２４１及び２４３に励振される振動にほとんど影響を与えない。このため、付加膜２７の膜厚は、専ら電気的な特性を考慮して決定することができ、給電部の電気抵抗を十分に低下させることができるように、たとえば３０００オングストローム以上、望ましくは１００００オングストローム以上とし、付加膜２６よりも厚くすることが望ましい。同様の理由で、付加膜２７の材質は専ら電気的な特性を考慮して決定することができ、給電部の電気抵抗を十分に低下させることができるように、抵抗率の低い導電材料とすることが望ましい。
なお、図４〜図６に示したように、給電部の電気抵抗を低下させるという点からは付加膜２６が形成された領域を除く給電部の全面に付加膜２７を重ねて形成することが最も望ましいが、このことは、給電部の一部のみに付加膜２７を重ねて形成することをを否定するものではない。
以下では、本発明の第１実施形態に係る実施例１及び実施例２と本発明の範囲外の比較例とについて説明する。
［実施例１］
実施例１では、支持基板１１及び圧電体薄膜１４を構成する圧電材料としてニオブ酸リチウムの単結晶、接着層１２を構成する材料としてエポキシ接着剤、下面電極１３を構成する導電材料としてモリブデン及びタンタル、上面電極１５を構成する導電材料としてクロム及び金、付加膜１６を構成する材料としてクロムを用いて圧電薄膜共振子１を作製した。
実施例１では、支持基板１１及び圧電体薄膜１４を構成する圧電材料としてニオブ酸リチウムの単結晶、接着層１２を構成する材料としてエポキシ接着剤、下面電極１３を構成する導電材料としてモリブデン及びタンタル、上面電極１５を構成する導電材料としてクロム及び金、付加膜１６を構成する材料としてクロムを用いて圧電薄膜共振子１を作製した。
なお、実施例１の圧電薄膜共振子１は、図７の断面図に示すように、製造原価の低減のために、多数の圧電薄膜共振子１を一体化した集合体Ｕを作製した後に、集合体Ｕをダイシングソーで切断して個々の圧電薄膜共振子１へ分離することによって得られている。なお、図４には、３個の圧電薄膜共振子１が集合体Ｕに含まれる例が示されているが、集合体Ｕに含まれる圧電薄膜共振子１の数は、４個以上であってもよく、典型的に言えば、集合体Ｕには、数１００個〜数１０００個の圧電薄膜共振子１が含まれる。
以下では、便宜上、集合体Ｕに含まれる１個の圧電薄膜共振子１に着目して説明を進めるが、集合体に含まれる他の圧電薄膜共振子１も着目した圧電薄膜共振子１と同時平行して製造されている。
続いて、図８及び図９を参照しながら、実施例１の圧電薄膜共振子１の製造方法を説明する。なお、図８（１）〜図８（３）及び図９（４）〜図９（６）は、図１のB-Bの切断面における製造途上の圧電薄膜共振子１の断面図となっている。
図８を参照して、最初に、厚み０．５ｍｍ、直径３インチのニオブ酸リチウムの単結晶の円形ウエハ（３６度カットＹ板）を支持基板１１及び圧電体基板１７として準備した。そして、圧電体基板１７の下面に、厚さ０．０５７μｍのモリブデン膜と厚さ０．０２μｍのタンタル膜とをスパッタリングにより成膜し、フォトリソグラフィにより、図２（２）に示すパターンを有する下面電極１３を得た（図８（１））。
続いて、エッチングにより陥没１１１を形成した支持基板１１の上面に接着層１２となるエポキシ接着剤を塗布し、支持基板１１の上面と、圧電体基板１７の下面とを張り合わせた。そして、支持基板１１及び圧電体基板１７に圧力を印加してプレス圧着を行い、接着層１２の厚みを０．５μｍとした。しかる後に、張り合わせた支持基板１１及び圧電体基板１７を２００℃の環境下で１時間放置してエポキシ接着剤を硬化させ、支持基板１１と圧電体基板１７とを接着した（図８（２））。
支持基板１１と圧電体基板１７との接着が完了した後、圧電体基板１７を支持基板１１に接着した状態を維持したまま、支持基板１１の下面を炭化ケイ素（SiC）で作製した研磨治具に固定し、圧電体基板１７の上面を固定砥粒の研削機で研削加工し、圧電体基板１７の厚さを５０μｍまで薄肉化した。さらに、圧電体基板１７の上面をダイヤモンド砥粒で研磨加工し、圧電体基板１７の厚さを２μｍまで薄肉化した。最後に、ダイヤモンド砥粒による研磨加工で圧電体基板１７に生じた加工変質層を除去するために、遊離砥粒及び不繊布系研磨パッドを使用して圧電体基板１７の仕上げ研磨を行い、厚さが１μｍの圧電体薄膜１４を得た（図８（３））。
続いて、圧電体薄膜１４の上面（研磨面）を有機溶剤で洗浄し、厚さ０．０２μｍのクロム膜と厚さ０．０５１５μｍの金膜とをスパッタリングにより成膜し、フォトリソグラフィにより、図２（１）に示すパターンを有する上面電極１５を得た（図９（４））。
また、上面電極１５に重ねて、厚さ０．０９７μｍのクロム膜をスパッタリングにより成膜し、フォトリソグラフィにより、図２（１）に示すパターンを有する付加膜１６を得た（図９（５））。
さらに、圧電体薄膜１４の、下面電極１３１のパット１３１Ｐを被覆する部分をフッ酸によるエッチングで除去し、パット１３１Ｐが露出された圧電薄膜共振子１を得た（図９（６））。
このようにして得られた圧電薄膜共振子１について、ネットワークアナライザ及びプローバーを用いて周波数インピーダンス特性を評価したところ、図１０に示す波形が得られた。
なお、モリブデン、タンタル、ニオブ酸リチウム、クロム及び金の比重は、それぞれ、１０.２、１６．６、４．６４、７．２及び１９．４ｇ／ｃｍ3であるから、実施例１の圧電薄膜共振子１では、付加膜１６の単位面積あたりの質量は０．６９８×１０-12ｇ／ｍ2（=0.097μm×7.2g/cm3）であり、励振領域１４１における、圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量と励振電極の単位面積あたりの質量との和６．７０×１０-12ｇ／ｍ2（=0.057μm×10.2g/cm3＋0.02μm×16.6g/cm3＋1μm×4.64g/cm3＋0.02μm×7.2g/cm3＋0.0515μm×19.4g/cm3）の１０．４％となっている。
［実施例２］
比較例では、実施例１において、付加膜１６であるクロム膜の厚さを０．０６μｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で圧電薄膜共振子１を製造した。このようにして得られた圧電薄膜共振子１について、ネットワークアナライザ及びプローバーを用いて、周波数インピーダンス特性を評価したところ、図１１に示す波形が得られた。
比較例では、実施例１において、付加膜１６であるクロム膜の厚さを０．０６μｍとしたこと以外は、実施例１と同様の手順で圧電薄膜共振子１を製造した。このようにして得られた圧電薄膜共振子１について、ネットワークアナライザ及びプローバーを用いて、周波数インピーダンス特性を評価したところ、図１１に示す波形が得られた。
なお、実施例２の圧電薄膜共振子１では、付加膜１６の単位面積あたりの質量は０．４３２×１０-12ｇ／ｍ2（=0.06μm×7.2g/cm3）であり、励振領域１４１における、圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量と励振電極の単位面積あたりの質量との和６．７０×１０-12ｇ／ｍ2（=0.057μm×10.2g/cm3＋0.02μm×16.6g/cm3＋1μm×4.64g/cm3＋0.02μm×7.2g/cm3＋0.0515μm×19.4g/cm3）の６．５％となっている。
［比較例］
比較例では、実施例１において、付加膜１６であるクロム膜を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様の手順で圧電薄膜共振子を製造した。このようにして得られた圧電薄膜共振子について、ネットワークアナライザ及びプローバーを用いて、周波数インピーダンス特性を評価したところ、図１２に示す波形が得られた。
比較例では、実施例１において、付加膜１６であるクロム膜を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様の手順で圧電薄膜共振子を製造した。このようにして得られた圧電薄膜共振子について、ネットワークアナライザ及びプローバーを用いて、周波数インピーダンス特性を評価したところ、図１２に示す波形が得られた。
［実施例１〜２及び比較例の対比］
実施例１〜２及び比較例から明らかなように、圧電薄膜共振子１において、励振領域１４１の外側に質量を付加する付加膜１６を形成することにより、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなり、共振抵抗の上昇を回避できている。付加膜の効果は、実施例に述べた特定の材料と膜厚の組み合わせの場合のみでなく、ほかの膜構成においても得ることができた。また付加膜の効果の程度は膜構成に関わらず、付加膜の単位面積あたりの質量と圧電体薄膜の単位面積あたりの質量の比によって決定されることが判った。特に、実施例２に示すように、付加膜１６の単位面積あたりの質量が、励振領域１４１における、圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量と励振電極（上面電極１５１及び下面電極１３１）の単位面積あたりの質量との和の１％以上１０％以下となるようにすれば、特に効果的にスプリアスを抑制することができる。
実施例１〜２及び比較例から明らかなように、圧電薄膜共振子１において、励振領域１４１の外側に質量を付加する付加膜１６を形成することにより、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなり、共振抵抗の上昇を回避できている。付加膜の効果は、実施例に述べた特定の材料と膜厚の組み合わせの場合のみでなく、ほかの膜構成においても得ることができた。また付加膜の効果の程度は膜構成に関わらず、付加膜の単位面積あたりの質量と圧電体薄膜の単位面積あたりの質量の比によって決定されることが判った。特に、実施例２に示すように、付加膜１６の単位面積あたりの質量が、励振領域１４１における、圧電体薄膜１４の単位面積あたりの質量と励振電極（上面電極１５１及び下面電極１３１）の単位面積あたりの質量との和の１％以上１０％以下となるようにすれば、特に効果的にスプリアスを抑制することができる。
なお、第２実施形態に係る圧電薄膜フィルタ２も、実施例１又は実施例２と同様の手順で製造することができる。この場合において、上面電極２５を形成するのに先立って、バイアホールＶＨ２１〜ＶＨ２３をエッチング等により形成しておけば、上面電極２５の形成時にヴァイアホールＶＨ２１〜ＶＨ２３の内側面に金属膜が形成され、ファイアホールに上面電極２５と下面電極２３とを短絡するスルーホールとしての役割を持たせることができる。
＜変形例＞
上述の説明では、単数の圧電薄膜共振子からなる圧電薄膜デバイス及び２個の圧電薄膜共振子からなる圧電薄膜デバイスについて説明を行ったが、本発明における圧電薄膜デバイスとは、一般的に言えば、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイス全般を意味しており、単一の圧電薄膜共振子を含む発振子及びトラップ等並びに複数の圧電薄膜共振子を含むフィルタ、デュプレクサ、トリプレクサ及びトラップ等を含んでいる。
上述の説明では、単数の圧電薄膜共振子からなる圧電薄膜デバイス及び２個の圧電薄膜共振子からなる圧電薄膜デバイスについて説明を行ったが、本発明における圧電薄膜デバイスとは、一般的に言えば、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイス全般を意味しており、単一の圧電薄膜共振子を含む発振子及びトラップ等並びに複数の圧電薄膜共振子を含むフィルタ、デュプレクサ、トリプレクサ及びトラップ等を含んでいる。
また、上述の説明では、圧電体薄膜に励振される厚み縦振動による電気的な応答を利用した圧電薄膜共振子について説明したが、厚み縦振動以外のモード、例えば、厚みすべり振動等も利用可能である。
さらに、上述の説明では励振領域が円形又は矩形であるとして説明を進めたが、励振領域は円形又は矩形に制限されず、他の形状（例えば、多角形）であってもよい。なお、励振領域を多角形とする場合、多角形の最長の対角線の長さは、典型的には、３０μｍ〜３００μｍである。
なお、上述の説明では、付加膜１６が上面電極１５に重ねて形成される例を示したが、図１３に示すように、励振電極となる上面電極１５１以外の電極（上面電極１５２）を形成せずに、圧電体薄膜１４の上に付加膜１６を直接形成するようにしてもよい。
１ 圧電薄膜共振子
２ 圧電薄膜フィルタ
１１，２１ 支持基板
１２，２２ 接着層
１３，２３ 下面電極
１４，２４ 圧電体薄膜
１５，２５ 上面電極
１６，２６，２７ 付加膜
１７ 圧電体基板
１４１，２４１，２４３ 励振領域
１４２，２４２ 非励振領域
１４４ 離隔領域
２ 圧電薄膜フィルタ
１１，２１ 支持基板
１２，２２ 接着層
１３，２３ 下面電極
１４，２４ 圧電体薄膜
１５，２５ 上面電極
１６，２６，２７ 付加膜
１７ 圧電体基板
１４１，２４１，２４３ 励振領域
１４２，２４２ 非励振領域
１４４ 離隔領域
Claims (10)
- 単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスであって、
圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜を支持する支持体と、
前記圧電体薄膜の両主面に形成された、所定のパターンを有する電極膜と、
前記圧電体薄膜の少なくとも一方の主面の振動が励振される励振領域の外側に形成された第１付加膜と、
を備えることを特徴とする圧電薄膜デバイス。 - 請求項１に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記第１付加膜が、前記励振領域の外郭に沿う外縁部に形成されることを特徴とする圧電薄膜デバイス。 - 請求項１又は請求項２に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記圧電体薄膜の前記第１付加膜が形成された主面の、前記第１付加膜が形成された領域の外側に形成された導電性の第２付加膜、
をさらに備えることを特徴とする圧電薄膜デバイス。 - 請求項３に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記第２付加膜の膜厚が前記第１付加膜の膜厚より厚くなっていることを特徴とする圧電薄膜デバイス。 - 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記励振領域に厚み振動が励振されることを特徴とする圧電薄膜デバイス。 - 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記圧電体薄膜を構成する圧電体材料がニオブ酸リチウムであり、
前記圧電体薄膜と前記支持基板とが接着層を介して接着されることを特徴とする圧電薄膜デバイス。 - 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記第１付加膜を構成する材料が金属であることを特徴とする圧電薄膜デバイス。 - 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記電極膜に重ねて形成された前記第１付加膜の単位面積あたりの質量が、前記励振領域における、前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記電極膜の単位面積あたりの質量との和の０．１％以上２０％以下であることを特徴とする圧電薄膜デバイス。 - 請求項８に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記電極膜に重ねて形成された前記第１付加膜の単位面積あたりの質量が、前記励振領域における、前記圧電体薄膜の単位面積あたりの質量と前記電極膜の単位面積あたりの質量との和の１％以上１０％以下であることを特徴とする圧電薄膜デバイス。 - 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記第１付加膜が形成される領域が、前記支持基板から離隔された、前記励振領域を内包する領域の内部に広がっていることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
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