JP2008219237A - バルク音響振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】横振動モードに起因するスプリアスを従来より容易に低減できるとともに、周波数温度特性の制御性の向上を図ることの可能なバルク音響振動子を実現する。
【解決手段】本発明のバルク音響振動子１０は、圧電体膜１２、該圧電体膜を挟む一対の電極１１，１３を含む積層構造と、温度補償膜１４を有するバルク音響振動子において、前記積層構造のうち少なくとも前記一対の電極が前記圧電体膜を介して平面的に重なる動作平面範囲１０Ｐ内で前記温度補償膜が偏在していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はバルク音響振動子に係り、特に、バルク音響振動子の構造に関する。

従来から、ＦＢＡＲ（Film Balk Acoustic Resonator）やＳＢＡＲ（Stacked Film Balk Acoustic Resonator）等と呼ばれるバルク音響振動子（ＢＡＲ）が高周波デバイスとして提案され、製品化されている。このバルク音響振動子は、基板上に形成した開口部や空洞、或いは、多層膜積層構造の上に、下部電極、圧電体膜及び上部電極をそれぞれ順に成膜することで積層構造を形成し、当該積層構造の下部電極と上部電極の間に交流電圧を印加することで、圧電体膜の内部に縦波（バルク音響波）を発生させ、所定の共振特性を具備するように構成したものである。

従来、バルク音響振動子の横振動モードの発生による不具合を防止するために、圧電体膜を介して一対の電極が対向する動作平面範囲が非方形の不規則な多角形となるように構成した、バルク音響振動子を用いたフィルタが提案されている（例えば、以下の特許文献１参照）。

また、バルク音響振動子では、他の圧電振動子と同様に、圧電体膜の膜厚及び音速が温度によって変動することから、温度が上昇すると圧電体の共振周波数が低下する負の周波数温度特性を示す。このような周波数の温度特性については、例えば、上記積層構造の上に温度補償膜を成膜し、この温度補償膜で上記圧電体の負の周波数温度特性を打ち消すことで、共振周波数の温度依存性を低減し、安定した共振周波数を得る方法が提案されている（たとえば、以下の特許文献２参照）。
特開２０００−３３２５６８号公報 特開２００２−１７６３３４号公報

しかしながら、前述の特許文献１では、動作平面範囲を非方形の不規則な多角形状に構成することで横振動モードの縮退を回避し、フィルタ特性におけるスプリアスの発生を防止しているが、フィルタのスプリアス特性が動作平面範囲の上記形状にのみ依存し、当該形状による影響が大きいため、振動子の設計に課せられる制約が大きくなるという問題点がある。

一方、前述の特許文献２では、圧電体によりもたらされる負の周波数温度特性を打ち消すために、所定の周波数温度特性をもたらす温度補償膜の膜厚を高精度に制御する必要があり、温度特性の十分な安定化やばらつきの解消を行うことがきわめて難しいという問題点があった。すなわち、温度補償膜の膜厚を増すと共振周波数が低下するため、共振周波数を所望の値に設定しつつ、周波数温度特性を改善しなければならないことから調整が煩雑になる。さらに、バルク音響振動子において要求される十分に高い共振周波数を確保するには圧電体や温度補償膜の膜厚も薄くしなければならないため、温度補償に要する膜厚の制御精度がますます厳しくなる。その結果、共振周波数の温度に対する十分な安定性が得られないという問題点がある。

そこで、本発明は、横振動モードに起因するスプリアスを従来より容易に低減できるとともに、周波数温度特性の制御性の向上を図ることの可能なバルク音響振動子を実現することを目的とする。

斯かる実情に鑑み、本発明のバルク音響振動子は、圧電体膜、該圧電体膜を挟む一対の電極を含む積層構造と、温度補償膜を有するバルク音響振動子において、前記積層構造のうち少なくとも前記一対の電極同士が前記圧電体膜を介して平面的に重なる動作平面範囲内で前記温度補償膜が偏在していることを特徴とする。

この発明によれば、動作平面範囲内で温度補償膜が偏在していることで、動作平面範囲内の積層構造の平面方向の均一性が低下するため、動作平面範囲の平面形状（外形）に拘わらず横振動モードの縮退が抑制され、スプリアスを低減することができる。このとき、スプリアスの低減は、動作平面範囲の形状のみで行うのではなく、動作平面範囲内の温度補償膜の偏在分布によっても対処することが可能になるので、振動子の設計自由度が高まり、スプリアス対策も容易になる。

また、上記のように動作平面範囲内において温度補償膜が偏在していることにより、温度補償膜の偏在で生ずる温度補償膜の膜厚が大きい部分の膜厚を制御することによって温度保障膜を均一に形成した場合に比べて周波数温度特性の制御性が向上する。そのため、製品の歩留まりを高めることが可能になる。

ここで、温度補償膜が動作平面範囲内で偏在しているとは、単に温度補償膜が偏って存在していることを示し、温度補償膜が均一に形成されていないことのみを意味する。したがって、温度補償膜の存在する領域が中心からずれた偏心位置にあることなどを意味するものではなく、たとえば、動作平面範囲内に温度補償膜の有る場所と無ない場所が存在する場合、或いは、温度補償膜の膜厚が場所によってばらついている場合を含む。

本発明において、前記温度補償膜の偏在分布は、前記温度補償膜の重心が前記動作平面範囲の重心位置からずれた位置に配置されるように構成されていることが好ましい。温度補償膜の重心が動作平面範囲の重心位置からずれた位置に配置されることで、動作平面範囲内の構造の対称性が崩れるため、横振動モードの縮退をより確実に抑制することができる。なお、温度補償膜の重心とは、温度補償膜の膜厚も考慮した膜自体の重心を意味し、動作平面範囲の重心位置とは、動作平面範囲の平面形状の重心の位置を意味する。平面形状の重心は、平面形状内のすべての平面座標点へ向かうベクトルを積分した値が０になる点をいう。

本発明において、前記動作平面範囲内には、相互に前記温度補償膜の有無が異なる、若しくは、前記温度補償膜の膜厚が異なる第１平面領域及び第２平面領域が含まれていることが好ましい。これによれば、第１平面領域と第２平面領域の形状や位置を適宜に設定することで、横振動モードの縮退をさらに容易に抑制することができる。

本発明において、前記第１平面領域と前記第２平面領域の少なくとも一方が前記動作平面範囲の重心位置からずれた重心位置を有することが好ましい。これによれば、第１平面領域と第２平面領域のうち少なくとも一方の重心が動作平面範囲の重心位置からずれた位置に配置されていることで、動作平面範囲内の構造の対称性が崩れるため、横振動モードの縮退をより確実に抑制することができる。なお、ここで言う第１平面領域と第２平面領域の少なくとも一方の重心は上述の平面形状の重心である。

本発明において、前記第１平面領域と前記第２平面領域の少なくとも一方が前記動作平面範囲とは相似でない平面形状を有することが好ましい。これによれば、第１平面領域と第２平面領域のうち少なくとも一方が動作平面範囲とは相似でない平面形状を有することで、動作平面範囲内の構造の対称性が崩れるため、横振動モードの縮退をより確実に抑制することができる。もちろん、上記平面領域の重心が動作平面範囲の重心位置からずれていると同時に、上記平面領域の平面形状が動作平面範囲とは相似でないことがスプリアスを低減する上ではさらに望ましい。

本発明において、前記動作平面範囲は、前記第１平面領域と前記第２平面領域のみで構成されていることが好ましい。これによれば、温度補償膜の形成態様の異なる二つの領域のみで動作平面範囲が構成されることで、製造が容易になり、コストの低減を図ることができる。

本発明において、前記第１平面領域と前記第２平面領域の少なくとも一方が前記動作平面範囲内で島状に形成されていることが好ましい。これによれば、一方の平面領域が島状に構成されることで、動作平面範囲内で平面領域の境界が閉じた形状で構成されることから、当該境界における横振動モードへの影響を高めることができるため、横振動モードの縮退をさらに抑制することができる。なお、この場合に、動作平面範囲が第１平面領域と第２平面領域のみで構成される場合には、両平面領域のうちの一方が他方の内部において島状に構成される構成となる。

本発明において、前記第１平面領域と前記第２平面領域の少なくとも一方は、正多角形を除く多角形状であって、平行な辺を有しない多角形状を有することが好ましい。これによれば、横振動モードの縮退をさらに確実に抑制できる。

本発明において、前記温度補償膜は、前記第１平面領域に形成され、前記第２平面領域には形成されていないことが好ましい。これによれば、動作平面範囲内において部分的に温度補償膜を形成すればよいので、製造が容易になり、コストも低減できる。

［第１実施形態］
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は第１実施形態のバルク音響振動子１０の構造を模式的に示す概略断面図である。

図１に示すように、本実施形態のバルク音響振動子１０は、シリコン基板等の半導体などで構成される基板１と、この基板１の開口部１ａ上に形成される積層構造とで構成される。基板１上には酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁膜２が形成され、この絶縁膜２は上記開口部１ａ上にも形成されている。開口部１ａは基板１の裏面側からエッチング処理を施すこと等により形成され、このとき、絶縁膜２は当該エッチング工程におけるエッチングストップ層として機能するようになっている。

絶縁膜２上に形成された積層構造は、それぞれ、Ｐｔ／Ｔｉの積層構造などの金属等の導電体よりなる下部電極１１と、ＡｌＮ、ＺｎＯなどの圧電体よりなる圧電体膜１２と、Ｐｔ／Ｔｉなどの金属等の導電体よりなる上部電極１３とが順次に積層された構造と、非圧電体よりなる温度補償膜１４とを有する。当該積層構造においては、下部電極１１と上部電極１３との間に交流電圧を印加することで、積層構造の内部に積層方向のバルク音響波（縦振動）が生成され、このバルク音響波の共振特性によって所定の共振周波数を備えた振動子が構成されるようになっている。

上記温度補償膜１４は、ＳｉＯ_２、ＴｅＯ_５、ＺｒＯｘ（ｘ＝１〜２）などの誘電体からなる薄膜で構成される。ただし、当該温度補償膜をＦｅ−Ｎｉ合金などの金属で構成することも可能である。これらの温度補償膜１４は、バルク音響振動子１０の温度補償、つまり周波数温度特性の低減のためのものであり、周波数温度特性を調整するために設けられている。すなわち、温度補償膜１４を含まない積層構造は圧電体膜１２の特性に起因して一般的に負の周波数温度特性、つまり、温度が上昇すると共振周波数が低下する特性を備えたものとなるが、温度補償膜１４を形成することで、当該負の周波数温度特性の絶対値を低減することができ、また、正の周波数温度特性を備えたものとすることもできる。

本実施形態のバルク音響振動子１０において、下部電極１１と上部電極１２が平面的に重なる動作平面範囲１０Ｐには上記温度補償膜１４が偏在している。すなわち、動作平面範囲１０Ｐ内では、温度補償膜１４が均一に形成されておらず、場所により温度補償膜１４の形成の有無があり、或いは、温度補償膜１４の膜厚の異なる部分が存在する。

具体的には、本実施形態の場合、上記温度補償膜１４が形成されていない第１平面領域１０Ａと、上記温度補償膜１４が形成された第２平面領域１０Ｂとが設けられている。図示例の場合、第２平面領域１０Ｂでは温度補償膜１４が所定の膜厚で均一に形成されている。ここで、温度補償膜１４の有無により、第１平面領域１０Ａだけでは負の周波数温度特性を示し、第２平面領域１０Ｂだけでは正の周波数温度特性を示す構成となっている。そして、上記第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂとが一体に動作することにより、全体として周波数温度特性の低いバルク音響振動子１０が構成されている。

本実施形態では、上述のように動作平面範囲１０Ｐのうち温度補償膜１４が第２平面領域１０Ｂに限定して形成されているので、振動子全体としての周波数温度特性を低減するためには、従来のように温度補償膜を動作平面範囲１０Ｐ全体に均一に形成する場合に比べて第２平面領域１０Ｂの温度補償膜１４を厚く形成することができる。したがって、温度補償膜１４の単位膜厚当たりの周波数温度特性への影響が小さくなるので、温度補償膜１４の膜厚制御性が同等であっても、従来よりも温度補償の制御性を高めることが可能になる。

上記の点をさらに詳細に説明すると、本実施形態では、第１平面領域１０Ａが負の周波数温度特性を有し、第２平面領域１０Ｂが正の周波数温度特性を有するものとされているため、第１平面領域１０Ａの周波数温度特性が第２平面領域１０Ｂの周波数温度特性によって補償され、バルク音響振動子１０全体としては共振周波数の温度依存性が充分に低くなるように構成されている。例えば、両者の周波数温度特性が相互に完全に打ち消し合う関係に設定されれば、バルク音響振動子１０の周波数温度係数は０になり、温度変化に対する共振周波数の高い安定性が得られる。

また、第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂとは常用温度域で相互に近似した共振周波数を有するように構成されている。共振周波数は、各平面領域の積層構造中の各層の弾性特性、質量、膜厚等によって定まる。例えば、音響弾性波の伝播材質中の音速が早くなるほど共振周波数は高くなり、膜厚が大きくなるほど共振周波数は低下する。この場合、バルク音響振動子１０は、−４０℃以上８０℃以下、或いは、−２０度以上６０℃以下といった常用温度域内に共振周波数の大小が逆転する温度が存在するように構成されていることが好ましく、特に、その常用温度域の中心温度帯（２０〜３０℃の範囲内、例えば２５℃）において第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの共振周波数が同一となるように設定されることが望ましい。

なお、上記実施形態では第１平面領域１０Ａには温度補償膜１４を全く形成していないが、第１平面領域１０Ａにおいて、第２平面領域１０Ｂよりも薄い温度補償膜１４を形成しても構わない。ただし、この場合には第１平面領域１０Ａの負の周波数温度係数の絶対値が小さくなるので、その分、第２平面領域１０Ｂの温度補償膜１４Ｂの膜厚を減少させてその正の周波数温度係数を小さくする必要がある。

また、上記実施形態では、基板１に開口部１ａを形成しているが、基板１の表面に凹部を形成し、この凹部上に上記積層構造を形成することで、積層構造下に空洞が設けられるように構成してもよい。このような構造は、凹部内にレジスト、ＳｉＯ_２膜またはＰＳＧ膜等の犠牲層を形成しておき、当該犠牲層上に上記の積層構造を形成し、その後、犠牲層をウエットエッチング等によって除去することで形成できる。また、基板１の表面上に上記積層構造内に生ずる共振周波数に対応した音響多層膜を形成し、この音響多層膜上に積層構造を形成することによってバルク音響弾性波が音響多層膜で反射されるように構成しても構わない。

さらに、本実施形態では、従来のように積層構造全体にわたり均一に温度補償膜を形成する場合に比べて、補償精度を高めることが可能である。この点について図１６及び図１７を参照して以下に詳細に説明する。図１６は従来の温度補償無しのバルク音響振動子について、温度２５℃における共振周波数ｆｏに対する実際の共振周波数ｆの比率で表される周波数比ｆ／ｆｏの温度依存性を模式的に示すグラフ、図１７は本実施形態の第１平面領域１０Ａ及び第２平面領域１０Ｂのそれぞれの構造に対応する周波数比ｆ／ｆｏの温度依存性を模式的に示すグラフである。

従来のバルク音響振動子では、図１６に示すように、温度が高くなると共振周波数が単調に低下する負の周波数温度特性を示すが、これを補償するには、温度補償膜の膜厚を調整して周波数温度特性を示す図示のグラフがほぼ水平になるようにする必要がある。このようにするために必要とされる温度補償膜の膜厚は、温度補償膜の温度特性の強弱に依存するので、温度補償膜の温度特性が強ければ薄くて足り、弱ければ厚く形成する必要が生ずる。いずれの場合でも周波数温度特性を無くすために必要な要補償量は、温度補償膜の膜厚を制御することで達成されるため、温度補償膜の膜厚の制御精度によって周波数温度特性の補償精度、或いは、特性のばらつきが決定される。

一方、図１７に示すように、本実施形態の場合には、第１平面領域１０Ａが負の周波数温度特性（図示実線）を有し、第２平面領域１０Ｂが正の周波数温度特性（図示点線）を有するので、両平面領域の周波数温度特性を図示例Ｐ，Ｑのように相互に打ち消し合うように設定すれば、バルク音響振動子１０全体の周波数温度特性が低減され、共振周波数を安定させることができる。

本実施形態の場合には、第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂとで温度補償膜の有無または温度補償膜の膜厚に相違がある。従って、本実施形態の場合は、従来のように振動子全体にわたり一様に形成された温度補償膜を設ける場合よりも、第２平面領域１０Ｂの温度補償膜の膜厚が大きくなるとともに、当該膜厚によるバルク音響振動子１０全体の周波数温度特性への影響が小さくなる。その結果、温度補償膜の膜厚の制御精度が従来と同様であっても、全体の周波数温度特性をより高精度に設定することが可能になる。

例えば、従来の温度補償膜の膜厚の制御精度が１０ｎｍであり、この温度補償膜の膜厚差１０ｎｍに対応する周波数温度係数の変化量が５ｐｐｍ／℃であるとした場合、本実施形態では、温度補償膜の膜厚の制御精度が上記と同じ１０ｎｍであっても、一方の平面領域の温度補償膜の膜厚差１０ｎｍに対応する周波数温度特性の変化量を例えば１〜２ｐｐｍ／℃程度にすることができるため、周波数温度特性を従来よりも高精度に制御することができる。

また、図示例Ｐのように第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの周波数差が大きくなると効率的な共振状態を得ることができなくなる虞があるが、第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの双方にそれぞれ温度補償膜１４を形成することで、図示例Ｑのように第１平面領域１０Ａの負の周波数温度特性を緩和するとともに、第２平面領域１０Ｂの正の周波数温度特性をこれに合わせることで、より広い温度範囲において効率的な共振状態を実現できる。

さらに、本実施形態では、第２平面領域１０Ｂの最上層、すなわち、上部電極１３上に温度補償膜１４を形成しているため、第２平面領域１０Ｂに温度補償膜１４を形成した後に、例えば、エッチングや追加の成膜処理等によって温度補償膜１４の膜厚を調整することが可能になる。特に、温度補償膜１４のエッチングによる膜厚削減処理は温度補償膜１４を上部電極１３上に形成する場合でなければ不可能である。

また、温度補償膜１４は第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの双方に形成してもよい。この場合には、第１平面領域１０Ａでは温度補償膜１４を薄く、第２平面領域１０Ｂでは温度補償膜を厚く形成するが、図１７の図示例Ｑのように温度補償に要する温度補償膜１４の最大膜厚を小さくすることができる。そして、両領域１０Ａ、１０Ｂの温度補償膜１４を共に上部電極１３上に形成する場合には、同種の補正方法、例えば、エッチングによる膜厚削減処理のみを行う場合でも、第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂのいずれに当該処理を施すかを選択することにより、周波数温度特性を正側と負側のいずれにも調整することが可能になるというメリットがある。

この場合、第２平面領域１０Ｂの温度補償膜１４の膜厚が第１平面領域１０Ａの温度補償膜１４の膜厚よりも大きくなるため、下部電極１１、圧電体膜１２及び上部電極１３の積層構造の各層の膜厚を同一に設定しても、第２平面領域１０Ｂの共振周波数が第１平面領域１０Ａの共振周波数よりも低下する。したがって、第１平面領域１０Ａの下部電極１１、圧電体膜１２及び上部電極１３の積層構造の膜厚合計に対して、第２平面領域１０Ｂの下部電極１１、圧電体膜１２及び上部電極１３の積層構造の膜厚合計を薄くするなどの方法により、第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの常用温度域における共振周波数のずれを低減することが好ましい。

また、上記の場合には、第１平面領域１０Ａの温度補償膜よりも第２平面領域１０Ｂの温度補償膜の方が厚いので、温度補償膜の膜厚差によって第２平面領域１０Ｂの信号強度が第１平面領域１０Ａより低下する、すなわち、第２平面領域１０Ｂの共振アドミタンス値が第１平面領域１０Ａのそれよりも低くなる。このため、図示例とは異なるが、第２平面領域１０Ｂの面積を第１平面領域１０Ａの面積より大きくし、両平面領域の共振アドミタンス値（或いはその逆数であるインピーダンス値）の差を低減させることが有効な場合がある。このようにすることで、両平面領域の電気的な結合バランスが改善され、補償精度が向上し、より安定した周波数温度特性を得ることができる。図示例の場合、第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの位置及び形状の関係を逆転させれば上記の状況とすることができる（図８参照）。

本実施形態のバルク音響振動子１０を製造する場合には、第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの対応する各層同士をそれぞれ並行して積層していくことが好ましい。すなわち、絶縁膜２上において、下部電極１１を同一工程で形成し、圧電体膜１２を同一工程で形成し、上部電極１３を同一工程で形成している。さらに、両平面領域に共に温度補償膜を形成する場合には温度補償膜１４を同一工程で形成することが好ましい。なお、同一工程で同時に形成される対応する各層間に膜厚の相違がある場合には、当該工程の少なくとも一部の段階を共通に行えばよい。これらの各層の成膜処理は、例えば、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により行うことができる。なお、以上説明した上記の各点の構成については以下の各実施形態でも同様に採用できる。

図８は、本実施形態のバルク音響振動子１０の平面図である。本実施形態では、上記のように第１平面領域１０Ａには温度補償膜１４が形成されず、第２平面領域１０Ｂでは温度補償膜１４が形成されている。ここで、図示例では動作平面範囲１０Ｐ内に第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂのみが形成されている。また、第２平面領域１０Ｂは動作平面範囲１０Ｐ（すなわち第１平面領域１０Ａ）内に島状に配置されている。

上記の状況において、動作平面領域１０Ｐが楕円状に構成されることによって、たとえば、動作平面領域１０Ｐが円状に構成されていたり、相互に対向する辺同士が平行に構成された正方形、長方形、正六角形等の多角形であったり、その他の正多角形であったりする場合に比べて、横振動モードの縮退が抑制され、共振特性がスプリアスに影響されにくくなるように構成できる。また、第２平面領域１０Ｂも楕円状に構成されることでやはり横振動モードが抑制される。

また、本実施形態では、動作平面範囲１０Ｐの重心位置（完全な楕円であれば長軸と短軸の交点である中心位置と一致する。）に対して第２平面範囲１０Ｂの重心がずれた位置に配置されている。一般に、任意の形状の動作平面範囲１０Ｐの重心と、任意の形状の第２平面領域１０Ｂの重心とがずれることで、第２平面領域１０Ｂが動作平面範囲１０Ｐ内において非対称な位置に配置されていることとなり、したがって、横振動モードの縮退が抑制されて横振動モードによる共振特性への影響が低減される。

通常、横振動モードは平面方向の音響波が動作平面領域１０Ｐ内を往復する経路上において定在波となることで発生するが、一般的には反射を繰り返すことできわめて長い往復経路を有することから、バルク音響振動子１０の特性を決定する縦振動モードの周波数に比べて低い周波数しか持たない。しかし、上記横振動モードの高調波は縦振動モードの周波数に重なる虞があるため、たとえば、同様の長さの往復経路を有する横振動モードが高次に縮退したり、或いは、異なる基本周波数を持つ横振動モードの高調波の周波数域が重なると、縦振動モードの共振周波数近傍にスプリアスが現れる可能性が高くなり、バルク音響振動子の周波数特性に重大な悪影響を与える虞がある。

本実施形態では、第２平面領域１０Ｂが動作平面範囲１０Ｐ内の非対称位置にある（動作平面範囲１０Ｐの重心位置とずれた位置に重心がある）ことで、実際に問題となりうる横振動モードが縮退しにくくなる。この場合、一般的には、任意の偏在分布を持つ温度補償膜１４自体の重心（これは平面形状の重心とは異なり、膜厚の分布をも勘案した膜自体の重心である。）が動作平面範囲１０Ｐの重心位置からずれていることが好ましい。

また、本実施形態では第２平面領域１０Ｂが動作平面範囲１０Ｐ内で島状に構成されているので、温度補償膜１４の存在状態の異なる領域間の境界が閉じた構造とされるため、横振動モードがさらに縮退しにくくなる。なお、上記実施形態の第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの関係を反転させて、第２平面領域１０Ｂ中に島状の第１平面領域１０Ａが形成されていてもよい。

なお、本実施形態においては、動作平面範囲１０Ｐ内に第１平面領域１０Ａ及び第２平面領域１０Ｂのみが形成されている例を示したが、これら以外の他の平面領域を有していてもよい。たとえば、動作平面範囲１０Ｐ内に、温度補償膜のない領域、温度補償膜の薄い領域、温度補償膜の厚い領域の３領域を有していてもよい。もちろん、温度補償膜の膜厚分布が偏在している（均一でない）のであれば、上記とは異なり、複数の領域が明確に区分けできず、温度補償膜が徐々に厚くなったり、徐々に薄くなったりしているなどといった態様であっても構わない。

［第２実施形態］
次に、図２を参照して本実施形態の第２実施形態について説明する。上記の第１実施形態のバルク音響振動子１０では上部電極１３の上に温度補償膜１４が形成されていたが、この第２実施形態のバルク音響振動子１０′では、上部電極１３の下（すなわち、圧電体膜１２と上部電極１３の間）に温度補償膜１４が形成されている。この場合でも、温度補償膜１４によって周波数温度特性が正側へ変化する点では第１実施形態と同じであるが、後述するように第１実施形態の場合よりも温度補償膜１４の効果が高く、より薄い膜でも高い温度補償効果が得られる。

図９は本実施形態のバルク音響振動子１０′の平面図である。本実施形態では、第１実施形態と同様に、第２平面領域１０Ｂが第１平面領域１０Ａ内に島状に配置されているので、第１平面領域１０Ａによって動作平面範囲１０Ｐが画成される。ただし、本実施形態の場合、第２平面領域１０Ｂの平面形状（図示破線）は動作平面範囲１０Ｐと相似形ではない形状となっている。このようにすると、横振動モードの縮退がさらに抑制される。また、この場合には、仮に第２平面領域１０Ｂの重心が動作平面範囲１０Ｐの重心位置と一致していても、横振動モードの縮退を抑制できる。

第２平面領域１０Ｂの平面形状は、対向する辺同士が平行でなく、正多角形でもない多角形となっていて、図示例では三角形状に構成されている。このような平面形状は、横振動モードの縮退を抑制する上で特に効果的である。

なお、本実施形態に関しても、第１実施形態と同様に、動作平面範囲１０Ｐ内に第１平面領域１０Ａ及び第２平面領域１０Ｂ以外の他の平面領域を有していてもよく、また、第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの関係を反転させて、第２平面領域１０Ｂ中に島状の第１平面領域１０Ａが形成されていてもよい。

［第３実施形態］
次に、図３乃至図７を参照して第３実施形態のバルク音響振動子１０Ｘ、１０Ｙ、１０Ｚ、１０Ｖ、１０Ｗの構造について説明する。この第３実施形態では、上記第１実施形態及び第２実施形態の第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂを同様に有しているが、これらの平面領域の少なくとも一方において温度補償膜１４が形成される態様の組み合わせを示すものである。なお、具体的な構造としては第１実施形態又は第２実施形態と同様の構成とすることもできるが、図示例では説明の都合上、いずれも第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂが均等に形成される態様で示してある。

図３に示す構成例１（バルク音響振動子１０Ｘ）では、第１平面領域１０Ａには温度補償膜を形成せず、第２平面領域１０Ｂには上部電極１３上に温度補償膜１４を形成しているが、温度補償膜１４の分だけ第２平面領域１０Ｂの固有共振周波数が低下するので、これを防止するために第２平面領域１０Ｂにある圧電体膜１２の部分１２Ｂを第１平面領域１０Ａにある圧電体膜１２の部分１２Ａより薄くしている。このようにすると、両領域間の共振周波数のずれを低減できるので、振動子の一体性をより高めることができ、より効率的に縦振動を生じさせることができる。

図４に示す構成例２（バルク音響振動子１０Ｙ）では、上記構成例１とは異なり、温度補償膜１４が上部電極１３の下（圧電体膜１２と上部電極１３の間）に配置されている。このように温度補償膜１４を一対の電極１１と１３の間に配置することにより、温度補償膜１４の膜厚を薄くしても十分な温度補償を行うことができるため、積層構造全体を薄く形成することができる。

ここで、温度補償膜１４を下部電極１１と圧電体膜１２の間に配置してもよい。ただし、この場合には、圧電体膜１２の成膜状態が下地となる温度補償膜１４に影響されるため、圧電体膜１２の膜質が悪化する虞がある。なお、以上の各点については他の例や他の実施形態でも同様である。

図５に示す構成例３（バルク音響振動子１０Ｚ）では、上部電極１３上において第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの双方に温度補償膜１４Ａ，１４Ｂを設けている。この点の作用効果については第１実施形態の説明と同様である。

図６に示す構成例４（バルク音響振動子１０Ｖ）では、図５に示す構成例３と同様に第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの双方に温度補償膜１４Ａ，１４Ｂを設けているが、これらの温度補償膜１４Ａ，１４Ｂをいずれも上部電極１３の下、具体的には圧電体膜１２と上部電極１３の間に配置している。このようにすると、温度補償膜１４Ａ，１４Ｂの膜厚を薄くすることができる。

図７に示す構成例５（バルク音響振動子１０Ｗ）では、第１平面領域１０Ａの温度補償膜１４Ａを上部電極１３上に形成するとともに、第２平面領域１０Ｂの温度補償膜１４Ｂを上部電極１３下に配置している。このようにすると、後に説明するように、周波数温度特性を低減しつつ、第１平面領域１０Ａの温度補償膜１４Ａの膜厚と、第２平面領域１０Ｂの温度補償膜１４Ｂの膜厚の差を低減できる。この膜厚の差の低減は、共振周波数の整合性を確保するために好適であり、共振周波数を合わせるために、例えば第１平面領域１０Ａの圧電体膜の部分１２Ａと、第２平面領域１０Ｂの圧電体膜の部分１２Ｂとの膜厚の差を大きくしなくても共振周波数を整合させることができる。

ここで、構成例５では、温度補償膜１４Ａと１４Ｂが相互に異なる膜厚を有するだけでなく、相互に異なる積層位置に構成されている。このように温度補償膜の積層位置が相互に異なる場合も、温度補償膜が偏在している態様に含まれる。

なお、上記とは逆に、第１平面領域１０Ａの温度補償膜１４Ａを上部電極１３の下に配置し、第２平面領域１０Ｂの温度補償膜１４Ｂを上部電極１３の上に配置してもよい。このようにすると、温度補償膜の部分１４Ｂの膜厚を大きくすることができるため、温度補償膜の部分１４Ｂの膜厚を調整することで、周波数温度特性を高精度に補償できる。

また、上記の各実施形態や例においては、各平面領域において、温度補償膜を上部電極上と上部電極下の双方に形成してもよい。このようにすると、温度補償膜を上部電極上にのみ形成した場合に比べて全体の膜厚を低減できるとともに、最上層に温度補償膜を配置できるために当該温度補償膜に対して膜厚の後調整を行うことが可能になる。

［実施例の特性］
次に、図１０乃至図１５を参照して、上記各実施形態に関連するバルク音響振動子の積層構造の特性について説明する。以下に示す特性は、基板１として厚みが２００〜３００μｍ程度のシリコン単結晶基板を用い、下部電極として膜厚３０ｎｍのＴｉ層の上に膜厚１５０ｎｍのＰｔ層を形成したものを用い、圧電体膜として膜厚７００ｎｍのＡｌＮ層を形成したものを用い、さらに、上部電極として膜厚３０ｎｍのＴｉ層の上に膜厚１５０ｎｍのＰｔ層を形成したものを用い、温度補償膜としてＳｉＯ_２（酸化シリコン）層を形成してなる例に対するものである。

図１０は、従来のように均一な積層構造を有するバルク音響振動子の周波数温度係数Δｆ／ｆｏ［ｐｐｍ／℃］（Δｆは１℃当たりの共振周波数の変化量）の温度補償膜の膜厚依存性を示すグラフである。ここで、図示破線は温度補償膜を上部電極下に形成した場合の特性、図示一点鎖線は温度補償膜を上部電極上に形成した場合の特性を示す。図１０に示すように、温度補償膜がない場合には周波数温度係数が−４０［ｐｐｍ／℃］程度であるが、温度補償膜の膜厚を増大させるに従って周波数温度係数が単調に増加しているのがわかる。

また、温度補償膜を上部電極下に形成した場合には、温度補償膜の膜厚がｘ（４０〜５０ｎｍ程度）で周波数温度係数がほぼ０となり、温度補償膜の膜厚に対する周波数温度係数の依存性がきわめて大きいが、温度補償膜を上部電極上に形成した場合には、温度補償膜の膜厚がｙ（５４０〜６００ｎｍ程度）で周波数温度係数がほぼ０となり、温度補償膜の膜厚に対する周波数温度係数の依存性が緩やかであることがわかる。

したがって、上記の特性により、従来の均質構造で周波数温度特性を補償しようとすれば、例えば温度補償膜を上部電極下に形成する場合には温度補償膜の膜厚を図示ｘ（４０〜５０ｎｍ程度）、温度補償膜を上部電極上に形成する場合には温度補償膜の膜厚を図示ｙ（５４０〜６００ｎｍ程度）とすればよい。ここで、温度補償膜を上部電極下に形成する場合には、温度補償膜の膜厚が薄くても足りるため製造効率は高いが、温度補償膜の膜厚に対する周波数温度係数の依存性が強いため、１０ｎｍ程度の成膜精度でも周波数温度特性に或る程度のばらつきが生ずる。これに対して、温度補償膜を上部電極上に形成する場合には、温度補償膜の膜厚に対する周波数温度係数の依存性が弱いため、周波数温度特性を低減し、共振周波数を安定させることは比較的容易であるが、温度補償膜を厚く形成する必要があることから製造効率が悪化する。また、温度補償膜が厚くなることにより共振周波数が低下する一方、共振周波数の低下を回避するために圧電体膜を薄く形成すると振動子強度の低下や膜質の悪化による電気機械結合係数の低下などが生じるなど、高周波化が難しくなるという問題点がある。

一方、本実施形態では、温度補償膜１４が動作平面範囲１０Ｐ内で偏在して設けられていることにより、負の周波数温度特性を備えた領域と正の周波数温度特性を備えた領域とで互いに周波数温度特性を補償し合うようにすることで、バルク音響振動子全体の周波数温度特性を低減できる。したがって、温度補償膜１４の偏在分布によって種々の方法でバルク音響振動子全体の周波数温度特性を低減することができる。具体的には、第１平面領域１０Ａに温度補償膜を形成せず、第２平面領域１０Ｂに温度補償膜を形成する場合には、バルク音響振動子全体に温度補償膜を形成する従来構造に比べて、温度補償に必要な第２平面領域１０Ｂにおける温度補償膜の膜厚が相対的に増大するので、当該温度補償膜の膜厚の制御精度が同程度であっても、従来構造よりも高精度に周波数温度特性を設定することが可能になる。

また、第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの双方に温度補償膜を形成する場合でも、第２平面領域１０Ｂに正の周波数温度特性を設ける必要があることには変わりがないために第２平面領域１０Ｂの温度補償膜の膜厚は従来よりも大きくなるから、上記の点は同様に妥当する。また、この場合には、第１平面領域１０Ａの周波数温度特性も緩和されるとともに、この緩和された第１平面領域１０Ａの周波数温度特性に合わせて第２平面領域１０Ｂの周波数温度特性を設定すればよいので、周波数温度特性の後調整が容易になるという利点がある。例えば、図１１に示すように、上部電極下に膜厚１０ｎｍの温度補償膜を形成すると負の周波数温度特性が得られ、上記電極下に膜厚１００ｎｍの温度補償膜を形成すると正の周波数温度特性が得られるが、いずれの周波数温度特性も、温度補償膜のないバルク音響振動子の周波数温度特性よりも緩和された特性を有している。

さらに、本実施形態では、温度補償膜の形成態様に関する選択肢が増大し、様々な組合せで好適な振動子特性を狙うことが可能になる。すなわち、第１平面領域１０Ａに温度補償膜を形成しない場合には、図１０に示すように、第２平面領域１０Ｂの温度補償膜の膜厚を図示ｅ（１８０〜１９０ｎｍ程度）とするか、或いは、図示ｆ（７８０〜８００ｎｍ程度）とすればよく、また、第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの双方に共に温度補償膜を形成する場合には、第１平面領域１０Ａの温度補償膜の膜厚を図示ａ（１０〜２０ｎｍ程度）とし、第２平面領域１０Ｂの温度補償膜の膜厚を図示ｂ（１００〜１１０ｎｍ程度）とすること、或いは、第１平面領域１０Ａの膜厚を図示ｃ（３９０〜４１０ｎｍ程度）とし、第２平面領域１０Ｂの膜厚を図示ｄ（６７０〜６９０ｎｍ程度）とすることで、周波数温度特性を低減できるほか、第１平面領域１０Ａの温度補償膜の膜厚を図示ｃとし、第２平面領域１０Ｂの温度補償膜の膜厚を図示ｂとすることによっても周波数温度特性を低減できる。

また、上記の第３実施形態の各構成例で示したようにバルク音響振動子における温度補償膜の位置及び膜厚の複数の組合せが可能であることにより、共振周波数を広い範囲に設定できるなど、素子設計の自由度が増大するという利点がある。

図１２は、図１１に示す２つの周波数温度特性を備えたバルク音響振動子におけるアドミタンス特性を示すグラフである。上部電極下に膜厚１００ｎｍの温度補償膜を形成した場合には共振周波数ｓ（１．８５ＧＨｚ程度）であり、上部電極下に膜厚１０ｎｍの温度補償膜を形成した場合の共振周波数ｔ（２．３ＧＨｚ程度）より低くなる。これは、温度補償膜が厚くなることにより振動子の質量が増大したためと考えられる。

図１３には、上部電極下の温度補償膜の膜厚と共振周波数との関係を示す。上記のように、温度補償膜を厚くすると共振周波数は単調に低下していく。したがって、第１平面領域と第２平面領域の共振周波数をなるべく一致させるためには、温度補償膜以外の積層構造を両平面領域において異なる厚みに形成しておく必要がある。

図１４には、上部電極下の温度補償膜の膜厚が一定（１００ｎｍ）のときの圧電体膜の膜厚と共振周波数との関係を示す。このように、圧電体膜の膜厚が小さくなると共振周波数は単調に増大する。例えば、上部電極下の温度補償膜の膜厚が１００ｎｍのときに圧電体膜の膜厚を５００ｎｍまで薄くすると、共振周波数は上部電極下の温度補償膜の膜厚が１０ｎｍで圧電体膜の膜厚が７００ｎｍのときの共振周波数とほぼ一致する。したがって、第１平面領域１０Ａの圧電体膜の膜厚を厚く（例えば７００ｎｍ）し、第２平面領域１０Ｂの圧電体膜の膜厚を薄く（例えば５００ｎｍ）しておくことで、異なる厚みの温度補償膜を形成しても両平面領域間の共振周波数のずれを低減することができる。

また、図１０に示すように、上部電極下に膜厚１００ｎｍの温度補償膜を形成した場合の共振アドミタンスは上部電極下に膜厚１０ｎｍの温度補償膜を形成した場合の共振アドミタンスよりも小さい。これは、非圧電体（誘電体）よりなる温度補償膜が厚くなることにより振動子のインピーダンスが増大したためと考えられる。このように第２平面領域１０Ｂの温度補償膜の膜厚を第１平面領域１０Ａよりも大きくした場合、第１平面領域１０Ａと第２平面領域１０Ｂの特性を整合させるために、第２平面領域１０Ｂの共振アドミタンスを増加させる必要がある。これには、例えば、第１平面領域１０Ａに対して、第２平面領域１０Ｂの面積を増大させることが考えられる。

図１５には、圧電体膜の膜厚が７００ｎｍのときの上部電極下の温度補償膜の膜厚と共振アドミタンスとの関係を示す。これによれば、温度補償膜の膜厚が小さくなると共振アドミタンスは増大することがわかる。例えば、上部電極下の温度補償膜の膜厚が１００ｎｍの場合に比べて、上部電極下の温度補償膜の膜厚が１０ｎｍの場合の共振アドミタンスは１０倍程度になるため、前者の温度補償膜の膜厚を備えた第２平面領域１０Ａの面積を後者の温度補償膜の膜厚を備えた第１平面領域の面積の１０倍とすれば、両平面領域の共振アドミタンスがほぼ均衡することとなる。すなわち、両平面領域の面積比を単位面積当たりの共振アドミタンス比の逆数とすることで、共振アドミタンスの均衡を図ることができる。

本実施形態では、上述のように温度補償膜の偏在によって横振動モードの縮退を抑制し、振動子特性上重要な周波数域で不要なスプリアスを生じないようにすることができるという効果を有する。たとえば、図１２に示すアドミタンス特性において、横振動モードが縮退すると、その高調波によって共振周波数ｓ又はｔの近傍にスプリアスが発生し、これがフィルタ特性等を悪化させる。しかし、本実施形態では横振動モードの縮退が抑制されるため、上記のスプリアスによる特性悪化を防止できる。

尚、本発明のバルク音響振動子は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。たとえば、上記実施形態の構成及びその説明では、バルク音響振動子の周波数温度特性を十分に低減した例を挙げたが、本発明では横振動モードの縮退の抑制と、周波数温度特性の制御性の向上とを図ることができるものであればよく、周波数温度特性を０に十分に近づけたものでなくても構わない。

第１実施形態のバルク音響振動子の断面構造を模式的に示す縦断面図。 第２実施形態のバルク音響振動子の平面構造を模式的に示す平面図。 第３実施形態のバルク音響振動子の構成例１を模式的に示す縦断面図。 第３実施形態のバルク音響振動子の構成例２を模式的に示す縦断面図。 第３実施形態のバルク音響振動子の構成例３を模式的に示す縦断面図。 第３実施形態のバルク音響振動子の構成例４を模式的に示す縦断面図。 第３実施形態のバルク音響振動子の構成例５を模式的に示す縦断面図。 第１実施形態のバルク音響振動子の平面構造を模式的に示す平面図。 第２実施形態のバルク音響振動子の平面構造を模式的に示す平面図。 バルク音響振動子の温度補償膜の膜厚に対する周波数温度係数の依存性を示すグラフ。 バルク音響振動子の周波数比の温度依存性を示すグラフ。 バルク音響振動子のアドミタンス特性を示すグラフ。 バルク音響振動子の温度補償膜の膜厚と共振周波数との関係を示すグラフ。 バルク音響振動子の圧電体膜の膜厚と共振周波数との関係を示すグラフ。 バルク音響振動子の温度補償膜の膜厚と共振アドミタンスとの関係を示すグラフ。 従来のバルク音響振動子の温度補償膜による補償方法を説明するための周波数比の温度依存性を示すグラフ。 実施形態の補償方法を説明するための周波数比の温度依存性を示すグラフ。

符号の説明

１…基板、１ａ…開口部、２…絶縁膜、１０、１０′、１０Ｘ、１０Ｙ、１０Ｚ、１０Ｖ、１０Ｗ…バルク音響振動子、１０Ｐ…動作平面範囲、１０Ａ…第１平面領域、１０Ｂ…第２平面領域、１１…下部電極、１２…圧電体膜、１２Ａ，１２Ｂ…圧電体膜の部分、１３…上部電極、１４、１４Ａ，１４Ｂ…温度補償膜

Claims (9)

1. 圧電体膜、該圧電体膜を挟む一対の電極を含む積層構造と、温度補償膜を有するバルク音響振動子において、
   前記積層構造のうち少なくとも前記一対の電極同士が前記圧電体膜を介して平面的に重なる動作平面範囲内で前記温度補償膜が偏在していることを特徴とするバルク音響振動子。
2. 前記温度補償膜の偏在分布は、前記温度補償膜の重心が前記動作平面範囲の重心位置からずれた位置に配置されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のバルク音響振動子。
3. 前記動作平面範囲内には、相互に前記温度補償膜の有無が異なる、若しくは、前記温度補償膜の膜厚が異なる第１平面領域及び第２平面領域が含まれていることを特徴とする請求項１に記載のバルク音響振動子。
4. 前記第１平面領域と前記第２平面領域の少なくとも一方が前記動作平面範囲の重心位置からずれた重心位置を有することを特徴とする請求項３に記載のバルク音響振動子。
5. 前記第１平面領域と前記第２平面領域の少なくとも一方が前記動作平面範囲とは相似でない平面形状を有することを特徴とする請求項３又は４に記載のバルク音響振動子。
6. 前記動作平面範囲は、前記第１平面領域と前記第２平面領域のみで構成されていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のバルク音響振動子。
7. 前記第１平面領域と前記第２平面領域の少なくとも一方が前記動作平面範囲内で島状に形成されていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載のバルク音響振動子。
8. 前記第１平面領域と前記第２平面領域の少なくとも一方は、正多角形を除く多角形状であって、平行な辺を有しない多角形状を有することを特徴とする請求項３乃至７のいずれか一項に記載のバルク音響振動子。
9. 前記温度補償膜は、前記第１平面領域に形成され、前記第２平面領域には形成されていないことを特徴とする請求項３乃至８のいずれか一項に記載のバルク音響振動子。

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