JP2008022408A - Piezoelectric thin film resonator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上に音響多層膜を介して設けた圧電薄膜を備える圧電薄膜共振子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric thin film resonator including a piezoelectric thin film provided on a substrate via an acoustic multilayer film.
最近、特に携帯電話等の移動体通信機器の分野では、使用周波数の高周波化が進められている。これに対応して、それらの電子機器にフィルタや共振子として使用される圧電素子も、数GHz又はそれ以上の非常に高い周波数が要求されるようになっている。従来から広く使用されている圧電基板の厚み縦振動を利用した圧電振動子は、共振周波数を高くするために、圧電基板の厚さを薄くしなければならない。しかしながら、実際には機械加工の困難性等から、数10〜数100MHz程度の周波数が限界である。 Recently, particularly in the field of mobile communication devices such as mobile phones, the frequency of use has been increased. Correspondingly, a piezoelectric element used as a filter or a resonator in such electronic devices is required to have a very high frequency of several GHz or more. Piezoelectric vibrators that use longitudinal vibration of piezoelectric substrates that have been widely used in the past have to reduce the thickness of the piezoelectric substrate in order to increase the resonance frequency. However, in practice, a frequency of about several tens to several hundreds of MHz is the limit due to difficulty in machining.
そこで、圧電薄膜の厚み縦振動を利用した圧電薄膜共振子が提案されている(例えば、非特許文献1を参照)。この圧電薄膜共振子には、大きく分けて2つの異なる構造が知られている。その1つは、基板上に下地膜、下部電極、圧電薄膜及び上部電極を形成し、基板裏面から振動部の下側にある基板部分を除去して開口部を形成したダイヤフラム型圧電薄膜共振子(FBAR)である(例えば、特許文献1〜3を参照)。他の1つは、基板上に音響多層膜を介して圧電薄膜、下部及び上部電極を設けた圧電薄膜共振子(SMR)である(例えば、特許文献4,5を参照)。 Therefore, a piezoelectric thin film resonator using the longitudinal vibration of the thickness of the piezoelectric thin film has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1). In this piezoelectric thin film resonator, two different structures are known. One of them is a diaphragm type piezoelectric thin film resonator in which a base film, a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are formed on a substrate, and an opening is formed by removing the substrate portion below the vibrating portion from the back surface of the substrate. (FBAR) (see, for example, Patent Documents 1 to 3). The other one is a piezoelectric thin film resonator (SMR) in which a piezoelectric thin film, lower and upper electrodes are provided on a substrate via an acoustic multilayer film (see, for example, Patent Documents 4 and 5).
図4は、SMR構造の圧電薄膜共振子の一般的な構成を模式的に示している。圧電薄膜共振子1は、基板2上に形成された音響多層膜3を有する。音響多層膜3は、高音響インピーダンス層3a1〜3anと低音響インピーダンス層3b1〜3bnとを交互に積層して構成される。音響多層膜3の上には、下部電極膜4、圧電薄膜5及び上部電極膜6が積層されている。圧電薄膜5により発生した弾性波(バルク波)は、音響多層膜3によって圧電薄膜内に閉じ込められ、基板2の影響を受けないので、高いQ値を得ることができる。しかも、圧電薄膜5の下面全体が音響多層膜3で固定されているので、安定した動作が可能である。
FIG. 4 schematically shows a general configuration of a piezoelectric thin film resonator having an SMR structure. The piezoelectric thin film resonator 1 has an
音響多層膜3の低音響インピーダンス層は例えばSiO2 やMgを使用し、高音響インピーダンス層は例えばAlN、ZnO、Al2O3、Ta2O5、Wを使用し、スパッタ法などを用いて基板上に成膜される(例えば、特許文献6を参照)。また、基板2には、例えばSi、水晶、GaAsやサファイア等の単結晶基板、Al2O3やAl2O3・TiC等の多結晶セラミックス基板、石英やガラスが用いられる。
The low acoustic impedance layer of the
しかしながら、SMR型圧電薄膜共振子において、基板表面にスパッタ成膜した低音響インピーダンス層のSiO2 膜は、図4に矢印で示すように大きな圧縮応力を有する。この膜応力が、基板に反りを生じさせ、そのために素子を変形させ又は破壊し、もしくはその振動特性を劣化させる虞がある。また、その製造工程において基板に反りがあると、搬送時に真空チャックでの吸着が困難になったり素子を破壊する虞があり、取扱い性が大きく低下する、という問題がある。更に、これらの問題がSMR型圧電薄膜共振子の実用化を大きく妨げている。 However, in the SMR type piezoelectric thin film resonator, the SiO 2 film of the low acoustic impedance layer formed by sputtering on the surface of the substrate has a large compressive stress as shown by an arrow in FIG. This film stress may cause the substrate to warp, which may cause the element to be deformed or broken, or deteriorate its vibration characteristics. Further, if the substrate is warped in the manufacturing process, there is a problem that it may be difficult to suck with a vacuum chuck during transportation or the element may be destroyed, and the handleability is greatly reduced. Furthermore, these problems greatly hinder the practical application of SMR type piezoelectric thin film resonators.
ダイヤフラム型圧電薄膜共振子も、基板表面に下地膜としてSiO2 薄膜を形成するので、同様にその圧縮応力による素子の変形や破壊、特性の劣化を生じる虞がある。そのため、特許文献1,2記載の圧電薄膜共振子は、圧電薄膜を構成するAlN薄膜の引張応力をSiO2 薄膜の圧縮応力と均衡させている。特許文献3に記載の圧電薄膜共振子は、圧電体層を所要の圧電性を確保するための第1層と共振子全体における応力調整を行うための第2層とで構成している。しかしながら、これらの構成により素子全体の応力を完全に零にすることは困難であり、またSMR型圧電薄膜共振子にそのまま適用することも困難である。
Since the diaphragm type piezoelectric thin film resonator also forms a SiO 2 thin film as a base film on the substrate surface, there is a possibility that the element is similarly deformed or broken due to the compressive stress, and the characteristics are deteriorated. For this reason, the piezoelectric thin film resonators described in Patent Documents 1 and 2 balance the tensile stress of the AlN thin film constituting the piezoelectric thin film with the compressive stress of the SiO 2 thin film. In the piezoelectric thin film resonator described in
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上に音響多層膜を介して圧電薄膜を設けたSMR型圧電薄膜共振子において、その製造コストを低減しつつ、膜応力による基板の反りを解消又は軽減し、それにより素子の変形や破壊、又は振動特性の劣化を抑制し、工業的にその実用化を促進することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to reduce the manufacturing cost of an SMR type piezoelectric thin film resonator in which a piezoelectric thin film is provided on a substrate via an acoustic multilayer film. It is to eliminate or reduce the warpage of the substrate due to the film stress while reducing it, thereby suppressing the deformation and destruction of the element or the deterioration of the vibration characteristics, and industrially promoting its practical use.
本発明によれば、上記目的を達成するために、基板の一方の面に複数の高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層とを交互に積層した音響多層膜と、該音響多層膜の上に形成した下部電極と、該下部電極の上に形成した圧電薄膜と、該圧電薄膜の上に形成した上部電極と、基板の他方の面に形成した圧縮応力膜とを備え、該圧縮応力膜が、基板において音響多層膜により発生する圧縮応力と相殺される大きさの圧縮応力を有するように形成される圧電薄膜共振子が提供される。 According to the present invention, in order to achieve the above object, an acoustic multilayer film in which a plurality of high acoustic impedance layers and low acoustic impedance layers are alternately laminated on one surface of a substrate, and formed on the acoustic multilayer film A lower electrode, a piezoelectric thin film formed on the lower electrode, an upper electrode formed on the piezoelectric thin film, and a compressive stress film formed on the other surface of the substrate. There is provided a piezoelectric thin film resonator formed to have a compressive stress of a magnitude that cancels out the compressive stress generated by an acoustic multilayer film in a substrate.
このように基板の表裏両側で圧縮応力を相殺させることにより、基板の反りを解消し、素子の変形や破壊、又は振動特性の劣化を抑制することができる。このような圧縮応力膜は、従来技術を用いて工業的に容易に形成することができるから、SMR型圧電薄膜共振子を工業的に実用化することが可能である。 Thus, by canceling the compressive stress on both the front and back sides of the substrate, the warp of the substrate can be eliminated, and the deformation and destruction of the element or the deterioration of the vibration characteristics can be suppressed. Since such a compressive stress film can be easily formed industrially using conventional techniques, an SMR type piezoelectric thin film resonator can be commercialized industrially.
或る実施例では、前記圧縮応力膜が、音響多層膜と同一の膜構成、同一の平面及び厚さ寸法を有し、基板を挟んで音響多層膜と対称に形成される。この圧縮応力膜は、音響多層膜と全く同じ製造工程及び設備をそのまま利用して同じ成膜条件で形成できるので、比較的低コストでかつ簡単に製造することができる。 In one embodiment, the compressive stress film has the same film configuration, the same plane and the same thickness as the acoustic multilayer film, and is formed symmetrically with the acoustic multilayer film across the substrate. Since this compressive stress film can be formed under the same film forming conditions using the same manufacturing process and equipment as the acoustic multilayer film as it is, it can be manufactured at a relatively low cost and easily.
別の実施例では、前記圧縮応力膜が、音響多層膜と同一の平面寸法を有し、基板を挟んで音響多層膜と対称に配置されると共に、高音響インピーダンス層と同一の材料からなりかつ各高音響インピーダンス層の膜厚を合計した膜厚を有する単一の第1層と、低音響インピーダンス層と同一の材料からなりかつ各低音響インピーダンス層の膜厚を合計した膜厚を有する単一の第2層とを積層して形成される。この圧縮応力膜は、音響多層膜と全く同じ製造工程及び設備をそのまま利用して形成できるので、同様に比較的低コストでかつ容易に製造でき、しかも2回の成膜工程で形成できるので、工数を少なくでき、生産性が向上する。 In another embodiment, the compressive stress film has the same planar dimensions as the acoustic multilayer film, is disposed symmetrically with the acoustic multilayer film across the substrate, and is made of the same material as the high acoustic impedance layer; A single first layer having the total thickness of the high acoustic impedance layers and a single layer having the total thickness of the low acoustic impedance layers made of the same material as the low acoustic impedance layer. It is formed by laminating one second layer. Since this compressive stress film can be formed by using exactly the same manufacturing process and equipment as the acoustic multilayer film, it can be easily manufactured at a relatively low cost, and can be formed by two film forming processes. Man-hours can be reduced and productivity is improved.
更に別の実施例では、前記圧縮応力膜が、音響多層膜と同一の平面寸法を有しかつ単一の材料からなる単一層で形成され、基板を挟んで音響多層膜と対称に配置される。この圧縮応力膜は、1回の成膜工程で形成できるので、工数をより少なくでき、より高い生産性が得られる。 In still another embodiment, the compressive stress film is formed of a single layer having the same plane size as the acoustic multilayer film and made of a single material, and is disposed symmetrically with the acoustic multilayer film across the substrate. . Since this compressive stress film can be formed in a single film formation process, the number of steps can be reduced, and higher productivity can be obtained.
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明による圧電薄膜共振子の好適な実施例を詳細に説明する。
図1は、本発明の第1実施例による圧電薄膜共振子の構成を模式的に示している。本実施例の圧電薄膜共振子11は、例えばSi、水晶又はガラス材料で形成された基板12を有する。他の基板12の材料として、GaAsやサファイア等の単結晶基板、Al2O3やAl2O3・TiC等の多結晶セラミックス基板、石英などを用いることができる。
Hereinafter, preferred embodiments of a piezoelectric thin film resonator according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 schematically shows the configuration of a piezoelectric thin film resonator according to a first embodiment of the present invention. The piezoelectric thin film resonator 11 of the present embodiment has a
基板12の上面には、高音響インピーダンス層13a1〜13anと低音響インピーダンス層13b1〜13bnとを交互に積層した音響多層膜13が形成されている。前記各高音響インピーダンス層は、例えばAlN、ZnOなどの圧電薄膜で形成する。他の高音響インピーダンス材料として、Al2O3、Ta2O5、Wなどを用いることができる。前記低音響インピーダンス層は、例えばSiO2 薄膜で形成する。他の低音響インピーダンス材料として、Mgなどを用いることができる。
On the upper surface of the
音響多層膜13の上には、下部電極膜14、圧電薄膜15及び上部電極膜16が積層されている。圧電薄膜15は、例えばAlN、ZnO、CdSなどの様々な公知の圧電材料で形成する。下部及び上部電極膜14,16は、例えばCr/Au膜で形成することができ、他の材料としてPt、Au、Al、W、Mo等の様々な公知の導電材料を用いることができる。
On the
一般に圧電薄膜15の膜厚は、これを単独の薄膜としてその共振周波数f0 の音波が該圧電薄膜を伝搬するときの波長λの1/2とすることが知られている。また、高音響インピーダンス層13a1〜13an及び低音響インピーダンス層13b1〜13bnの膜厚は、それらをそれぞれ単独の膜層として共振周波数f0 の音波が伝搬するときの波長λの1/4に設定する。
In general, it is known that the thickness of the piezoelectric
音響多層膜13の層数は、通常10またはそれ以上に設定する。音響多層膜13の層数が増えるほど、圧電薄膜15から基板12の方向を見たときの負荷インピーダンスが小さくなる。従って、前記圧電薄膜を基板から音響的に分離し、Q値の高い共振を得ることができる。また、圧電薄膜15の下面全面が音響多層膜13で支持されているので、安定した動作が得られる。
The number of layers of the
基板12の下面には、圧縮応力膜17が形成されている。圧縮応力膜17は、音響多層膜13と全く同一の構成を有し、基板12を挟んで対称に形成される。即ち、圧縮応力膜17は、高音響インピーダンス層13a1〜13anと同一の材料で同一の寸法を有する第1層17a1〜17anと、低音響インピーダンス層13b1〜13bnと同一の材料で同一の寸法を有する第2層17b1〜17bnとが、音響多層膜13と同一の層数で交互に積層されている。
A
圧縮応力膜17は、基板12を上下逆にして、音響多層膜13と全く同じ製造工程及び設備をそのまま利用して同じ成膜条件で形成することができる。従って、第1実施例の圧電薄膜共振子11は比較的低コストでかつ簡単に製造でき、その工業的な実用化を容易に実現することが可能である。
The
基板12の上面側には、音響多層膜13により発生する圧縮応力が、従来技術に関連して図4に矢印で示すように作用している。基板12の下面側には、圧縮応力膜17を設けたことにより、音響多層膜13による圧縮応力と同じ大きさの圧縮応力が逆向きに作用している。基板12上面側には、圧電薄膜15による引張応力も発生するが、SiO2 薄膜の圧縮応力に比すると大幅に小さい。従って、基板12の表裏両面で作用する応力を相殺して、該基板の反りを解消することができる。
On the upper surface side of the
図2は、本発明の第2実施例による圧電薄膜共振子の構成を模式的に示している。第2実施例の圧電薄膜共振子21は、第1実施例と同様に、Si、水晶又はガラス材料などで形成された基板22の上面に音響多層膜23が形成され、その上に下部電極膜24、圧電薄膜25及び上部電極膜26が積層されている。音響多層膜23は、AlN、ZnOなどからなる高音響インピーダンス層23a1〜23anと、SiO2 薄膜などからなる低音響インピーダンス層23b1〜23bnとが、交互に積層されている。
FIG. 2 schematically shows the configuration of a piezoelectric thin film resonator according to a second embodiment of the present invention. In the piezoelectric
基板22の下面には、音響多層膜23と同一の平面寸法を有する圧縮応力膜27が、該基板を挟んで音響多層膜23と対称に形成されている。第2実施例の圧縮応力膜27は、音響多層膜23の高音響インピーダンス層と同一の材料で形成された単一の第1層27aと、低音響インピーダンス層と同一の材料で形成された単一の第2層27bとを積層した2層構造からなる点において、第1実施例と異なる。
A
第1層27aの膜厚Taは、各高音響インピーダンス層23a1〜23anの膜厚をそれぞれta1,…,tanとした場合に、Ta=ta1+…+tanとなるように設定する。第2層27bの膜厚Tbは、各低音響インピーダンス層23b1〜23bnの膜厚をそれぞれtb1,…,tbnとした場合に、Tb=tb1+…+tbnとなるように設定する。この圧縮応力膜27によって、基板22の下面側に、音響多層膜23により発生する圧縮応力と略同じ大きさの圧縮応力を逆向きに作用させる。従って、基板22の表裏両面で作用する応力を相殺して、該基板の反りを解消又は軽減することができる。
Thickness Ta of the first layer 27a is, ta 1 the thickness of each high acoustic impedance layer 23a 1 ~23a n respectively, ..., when the ta n, set so that Ta = ta 1 + ... + ta n To do. Thickness Tb of the
また、圧縮応力膜27は、基板22を上下逆にして、音響多層膜23と全く同じ製造工程及び設備をそのまま利用して形成することができる。このとき、第1層27a及び第2層27bは、それぞれ上述した膜厚が得られるように成膜条件を調整する。このようにして第2実施例の圧電薄膜共振子21も、同様に比較的低コストでかつ容易に製造することができ、その工業的な実用化を実現することが可能である。しかも、圧縮応力膜27を2回の成膜工程で形成できるので、工数を少なくでき、生産性が向上する。
The
図3は、本発明の第3実施例による圧電薄膜共振子の構成を模式的に示している。第3実施例の圧電薄膜共振子31は、第1及び第2実施例と同様に、Si、水晶又はガラス材料などで形成された基板32の上面に音響多層膜33が形成され、その上に下部電極膜34、圧電薄膜35及び上部電極膜36が積層されている。音響多層膜33は、AlN、ZnOなどからなる高音響インピーダンス層33a1〜33anと、SiO2 薄膜などからなる低音響インピーダンス層33b1〜33bnとが、交互に積層されている。
FIG. 3 schematically shows the configuration of a piezoelectric thin film resonator according to a third embodiment of the present invention. As in the first and second embodiments, the piezoelectric
基板32の下面には、音響多層膜33と同一の平面寸法を有する圧縮応力膜37が、該基板を挟んで音響多層膜33と対称に形成されている。第3実施例の圧縮応力膜7は、単一の材料で形成された単一層からなる点において、第1及び第2実施例と異なる。
A
音響多層膜33の圧縮応力は予め算出することができるから、それと同じ大きさの圧縮応力を有するように、圧縮応力膜37の材料及び膜厚を選択する。圧縮応力膜37の材料は、例えば前記低音響インピーダンス層と同じSiO2 のように、基板上に成膜したときに圧縮応力を有するものであればよい。これによって、基板32の表裏両面で作用する応力を相殺して、該基板の反りを解消又は軽減することができる。
Since the compressive stress of the
このように第3実施例の圧電薄膜共振子31も、同様に比較的低コストでかつ容易に製造することができ、その工業的な実用化を実現することが可能である。しかも、圧縮応力膜37を1回の成膜工程で形成できるので、工数をより少なくでき、第1及び第2実施例よりも高い生産性が得られる。
As described above, the piezoelectric
以上、本発明の好適な実施例を詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内において様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、第2実施例において圧縮応力膜の第1層と第2層は、基板上に逆の順序で積層することができる。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made within the technical scope. For example, in the second embodiment, the first layer and the second layer of the compressive stress film can be laminated in reverse order on the substrate.
1,11,21,31…圧電薄膜共振子、2,12,22,32…基板、3,13,23,33…音響多層膜、3a1〜3an,13a1〜13an,23a1〜23an,33a1〜33an…高音響インピーダンス層、3b1〜3bn,13b1〜13bn,23b1〜23bn,33b1〜33bn…低音響インピーダンス層、4,14,24,34…下部電極膜、5,15,25,35…圧電薄膜、6,16,26,36…上部電極膜、17,27,37…圧縮応力膜、17a1〜17an,27a…第1層、17b1〜17bn,27b…第2層。
1, 11, 21, 31 ... piezoelectric thin film resonator, 2,12,22,32 ... substrate, 3,13,23,33 ... acoustic multilayer, 3a 1 ~3a n, 13a 1 ~13a n, 23a 1 ~ 23a n, 33a 1 ~33a n ... high acoustic impedance layer, 3b 1 ~3b n, 13b 1 ~13b n, 23b 1 ~23b n, 33b 1 ~33b n ... low acoustic impedance layer, 4,14,24,34 ... lower electrode film, 5,15,25,35 ... piezoelectric thin film, 6,16,26,36 ... upper electrode film, 17, 27, 37 ... compression stress film, 17a 1 ~17a n, 27a ... first layer,
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