JP2009005143A - 圧電薄膜デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】圧電薄膜共振子において、振動エネルギーの漏れを減らす。
【解決手段】圧電薄膜共振子１は、支持基板１１に支持された圧電体薄膜１５の両主面に下面電極１４及び上面電極１６を形成し、圧電体薄膜１５を挟んで下面電極１４及び上面電極１６を対向させた構造を有する。キャビティ形成膜１３は、自由振動領域１９２の外側の固定領域１９３に形成され、自由振動領域１９２において下面電極１４と圧電体薄膜１５と上面電極１６とを積層した振動体１０を支持基板１１から隔てるキャビティ（空洞）１３５を形成している。圧電体薄膜１５の膜厚は、自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆく。
【選択図】図３

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。

圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ；Film Bulk Acoustic Resonator）は、圧電体薄膜の両主面に電極膜を形成し、圧電体薄膜を挟んで電極膜を対向させた構造を有する。圧電薄膜共振子は、厚み縦振動や厚みすべり振動に由来する電気的な応答を利用した共振子となっている。このような圧電薄膜共振子では、振動エネルギーの漏れが振動のＱ値の低下の原因となるため、振動エネルギーを閉じ込めるべく、エネルギー閉じ込め構造が採用されることが多い。

ここで、圧電体薄膜を構成する圧電体材料としてニオブ酸リチウムを用いた場合のように、電極膜の質量によるカットオフ周波数の低下を利用して振動エネルギーを閉じ込める周波数低下型のエネルギー閉じ込め構造を採用することができないときは、圧電体薄膜や電極膜の膜厚を部分的に薄くすることによるカットオフ周波数の上昇を利用して振動エネルギーを閉じ込める周波数上昇型のエネルギー閉じ込め構造を採用する必要がある。

なお、特許文献１は、本願発明と関連する先行技術文献であり、電極膜の膜厚を部分的に変化させる技術を開示している。

特開２００７−００６５０１号公報

しかし、圧電薄膜共振子において周波数上昇型のエネルギー閉じ込め構造を採用する場合、圧電体薄膜や電極膜の膜厚の分布をどのようなものにすれば振動エネルギーの漏れを減らすことができるのかは明確にはなっていない。

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、圧電薄膜共振子において周波数上昇型のエネルギー閉じ込め構造を採用する場合に、振動エネルギーの漏れを減らし、振動のＱ値を向上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、前記圧電体薄膜の両主面に形成され、対向領域において前記圧電体薄膜を挟んで対向する電極膜と、前記圧電体薄膜と前記電極膜とを積層した振動体を支持する支持基板とを備え、前記振動体が空洞によって前記支持基板から隔てられている自由振動領域の周縁部から中心部に向かって前記圧電体薄膜又は前記電極膜の膜厚が連続的に薄くなってゆく圧電薄膜デバイスである。

請求項２の発明は、前記自由振動領域の周縁部における膜厚ｔ２と前記自由振動領域の中心部における膜厚ｔ１との膜厚差ｔ２−ｔ１が正である請求項１に記載の圧電薄膜デバイスである。

請求項３の発明は、膜厚差ｔ２−ｔ１の膜厚ｔ１に対する比が０．１％以上５％以下である請求項２に記載の圧電薄膜デバイスである。

本発明によれば、自由振動領域からの振動エネルギーの漏れを減らし、振動のＱ値を向上することができる。

以下では、単独の圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ；Film Bulk Acoustic Resonator）を例として、本発明の圧電薄膜デバイスの望ましい実施形態について説明する。しかし、以下で説明する実施形態は、本発明の圧電薄膜デバイスが単独の圧電薄膜共振子に限定されることを意味するものではない。すなわち、本発明における圧電薄膜デバイスとは、一般的にいえば、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包含している。

＜１ 第１実施形態＞
＜１．１ 全体構造＞
図１〜図３は、本発明の第１実施形態の圧電薄膜共振子１の模式図である。図１は、圧電薄膜共振子１の斜視図、図２は、圧電薄膜共振子１の平面図、図３は、図２のA-Aで示される切断線における圧電薄膜共振子１の断面図となっている。

図１〜図３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、キャビティ形成膜１３、下面電極１４、圧電体薄膜１５及び上面電極１６，１７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の製造にあたっては、単独で自重に耐え得る圧電体基板１９５（後述）を除去加工することにより圧電体薄膜１５を得ているが、除去加工によって得られる圧電体薄膜１５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、キャビティ形成膜１３及び下面電極１４を形成した圧電体基板１９５を支持体となる支持基板１１にあらかじめ接着している。

＜１．２ 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１９５を除去加工するときに、キャビティ形成膜１３及び下面電極１４が下面に形成された圧電体基板１９５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、キャビティ形成膜１３及び下面電極１４が下面に形成され、上面電極１６，１７が上面に形成された圧電体薄膜１５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１９５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を構成する材料及び支持基板１１の板厚は、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１５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１５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１５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、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、支持基板１１と圧電体薄膜１５とで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く、支持基板１１と圧電体薄膜１５とに同じ圧電材料を用いる場合、支持基板１１と圧電体薄膜１５とで結晶方位を一致させることが望ましい。

＜１．３ 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１９５を除去加工するときに、キャビティ形成膜１３及び下面電極１４が下面に形成された圧電体基板１９５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、キャビティ形成膜１３及び下面電極１４が下面に形成され、上面電極１６，１７が上面に形成された圧電体薄膜１５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１９５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、支持基板１１と圧電体基板１９５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１９５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によって支持基板１１と圧電体薄膜１５とが接着固定されることを妨げるものではない。

＜１．４ キャビティ形成膜＞
キャビティ形成膜１３は、絶縁材料を成膜することにより得られた絶縁体膜である。キャビティ形成膜１３は、自由振動領域１９２の外側の固定領域１９３に形成され、自由振動領域１９２において下面電極１４と圧電体薄膜１５と上面電極１６とを積層した振動体１０を支持基板１１から隔てるキャビティ（空洞）１３５を形成している。このようなスペーサとしての役割を有するキャビティ形成膜１３により、振動体１０を支持基板１１で支持しつつ、自由振動領域１９２において振動体１０が支持基板１１と干渉することを防止することができるようになる。キャビティ形成膜１３を構成する絶縁材料は、特に制限されないが、二酸化ケイ素（SiO₂）等の絶縁材料から選択することが望ましい。

＜１．５ 圧電体薄膜＞
圧電体薄膜１５は、圧電体基板１９５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１５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１９５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１５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１５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１５の電気機械結合係数及び機械的品質係数を向上することができるからである。

また、圧電体薄膜１５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１５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１９５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１５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１９５を固定砥粒に接触させて削る研削及び圧電体基板１９５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１９５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１９５を削る速度が早くなり、圧電薄膜共振子１の生産性を向上することができるとともに、圧電体薄膜１５の品質を向上することにより、圧電薄膜共振子１の特性を向上することができる。

このような圧電薄膜共振子１では、圧電体薄膜１５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１５を構成する圧電材料や圧電体薄膜１５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１５を構成する圧電材料や圧電体薄膜１５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。

圧電体薄膜１５には、圧電体薄膜１５の下面と上面との間を貫通し、圧電体薄膜１５を挟んで対向する下面電極１４と上面電極１７とを導通させるバイアホール１５５が形成されている。バイアホール１５５は、その内側面に成膜された導電体薄膜により下面電極１４と上面電極１７とを電気的に接続する。

圧電薄膜共振子１では、図３に示すように、圧電体薄膜１５の上面は平坦となっているが、圧電体薄膜１５の下面は自由振動領域１９２において上方に湾曲している。このため、圧電体薄膜１５の膜厚は、自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆく。

このような圧電体薄膜１５の膜厚の分布によれば、自由振動領域１９２からの振動エネルギーの漏れを減らすことができ、振動のＱ値を向上することができる。

圧電体薄膜１５の膜厚の分布幅、すなわち、自由振動領域１９２の周縁部における圧電体薄膜１５の膜厚（最大値）ｔ２と、自由振動領域１９２の中心部における圧電体薄膜１５の膜厚（最小値）ｔ１との膜厚差ｔ２−ｔ１は、正であって、膜厚ｔ１に対する比Δｔが０．１％以上５％以下［０．１％≦Δｔ＝（ｔ２−ｔ１）／ｔ１≦５％］であることが望ましい。この範囲内であれば、振動エネルギーの漏れを特に効果的に減らし、振動のＱ値を向上することができるからである。

なお、図４に示すように、自由振動領域１９２の平面形状が直交する対称軸１９７，１９８について対称となっている場合は、圧電体薄膜１５の膜厚の分布も対称軸１９７，１９８について対称とすることが望ましい。圧電体薄膜１５の膜厚の分布に対称性を付与すれば、非対称モードの励振を抑制し、副共振を抑制することができるからである。

＜１．６ 下面電極及び上面電極＞
下面電極１４及び上面電極１６，１７は、それぞれ、圧電体薄膜１５の下面及び上面に導電材料を成膜することにより形成された導電体薄膜である。圧電薄膜共振子１では、下面電極１４及び上面電極１６，１７の膜厚は略均一となっている。

下面電極１４及び上面電極１６，１７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、下面電極１４及び上面電極１６，１７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、下面電極１４及び上面電極１６，１７を形成してもよい。

下面電極１４の一部を占める細長矩形の駆動部１４１と、上面電極１６の一部を占める細長矩形の駆動部１６１とは、対向領域１９１において、圧電体薄膜１５を挟んで対向している。下面電極１４の駆動部１４１を除く残余を占める給電部１４２は、バイアホール１５５によって、上面電極１７に接続されている。

駆動部１４１及び駆動部１６１の平面形状を細長形状にしたのは、副共振をより強力に抑制するためである。ここで、「細長形状」とは、駆動部１４１及び駆動部１６１の長手方向の長さ（矩形の長辺や楕円形の長軸等の長さ）が短手方向の長さ（矩形の短辺や楕円形の短軸等の長さ）の２倍以上、望ましくは４倍以上、さらに望ましくは１０倍以上である平面形状をいう。ただし、このことは、平面形状が細長形状でない駆動部１４１及び駆動部１６１を採用することを妨げない。

このような下面電極１４及び上面電極１６により、圧電薄膜共振子１では、外部に露出している、上面電極１６の駆動部１６１を除く残余を占める給電部１６２と上面電極１７とに励振信号が印加されると、下面電極１４の駆動部１４１と上面電極１６の駆動部１６１とに励振信号が印加され、自由振動領域１９２に振動が励振される。これにより、圧電薄膜共振子１は、厚み縦振動又は厚みすべり振動を利用したエネルギー閉じ込め型の共振子として機能する。

なお、圧電薄膜共振子１では、対向領域１９１が自由振動領域１９２を内包するようにしている。このように、対向領域１９１の周縁部が接着層１２及びキャビティ形成膜１３を介して支持基板１１に固定されるようにすると、圧電薄膜共振子１の副共振をより強力に抑制することができる。ただし、このことは、自由振動領域１９２が対向領域１９１を内包するようにすることを妨げない。

＜１．７ 製造方法＞
続いて、支持基板１１及び圧電体薄膜１５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、キャビティ形成膜１３を構成する絶縁材料として二酸化ケイ素、下面電極１４を構成する導電材料としてモリブデン、上面電極１６を構成する導電材料として金を用いた場合を例として、圧電薄膜共振子１の製造方法を説明する。ただし、以下で説明する製造方法は例示に過ぎず、所望の特性に応じて材料を変更することを妨げるものではない。また、圧電体薄膜１５を圧電体基板１９５の除去加工により得ることも必須ではなく、従来から行われているように、支持基板の上に下面電極、圧電体薄膜及び上面電極をスパッタリング等の付加加工で順次成膜することにより圧電薄膜共振子１を製造してもよい。

なお、以下で説明する製造方法においては、圧電薄膜共振子１は、製造原価の低減のために、多数（典型的には、数１００個〜数１０００個）の圧電薄膜共振子１を一体化したマザー基板を作製した後に、当該マザー基板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。

以下では、便宜上、当該マザー基板に含まれる１個の圧電薄膜共振子１に着目して説明を進めるが、マザー基板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。

圧電薄膜共振子１の製造にあたっては、最初に、圧電体基板１９５の下面の全面にモリブデン膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングを行い、下面電極１４を得る（図５）。

続いて、圧電体基板１９５の下面の全面に二酸化ケイ素膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングを行い、キャビティ形成膜１３を形成する（図６）。

さらに続いて、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、下面電極１４及びキャビティ形成膜１３が形成された圧電体基板１９５の下面とを張り合わせる。そして、支持基板１１及び圧電体基板１９５に圧力を印加してプレス圧着を行う。しかる後に、エポキシ接着剤を硬化させ、支持基板１１と圧電体基板１９５を接着する（図７）。

支持基板１１と圧電体基板１９５との接着が完了した後、圧電体基板１９５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の下面を研磨治具に接着固定し、圧電体基板１９５の上面を固定砥粒の研削機で研削加工し、圧電体基板１９５を薄肉化する。さらに、圧電体基板１９５の上面をダイヤモンド砥粒で研磨加工し、圧電体基板１９５をさらに薄肉化する。最後に、ダイヤモンド砥粒による研磨加工で圧電体基板１９５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１９５の仕上げ研磨を行い、所望の膜厚の圧電体薄膜１５を得る（図８）。

ここで、接着層１２、キャビティ形成膜１３、下面電極１４における応力の状態によっては、圧電体基板１９５が自由振動領域１９５において出張った状態又は凹んだ状態で圧電体基板１９５を除去加工することになる。そして、圧電体基板１９５が自由振動領域１９５において出張った状態で圧電体１９５を除去加工すると、自由振動領域１９２の周縁部よりも中心部の方が加工量が多くなるので、図８に示すように、自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって膜厚が連続的に薄くなってゆく圧電体薄膜１５を得ることができる。一方、圧電体基板１９５が自由振動領域１９５において凹んだ状態で圧電体１９５を除去加工すると、自由振動領域１９２の周縁部よりも中心部の方が加工量が少なくなるので、図８に示すのとは逆に、自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって膜厚が連続的に厚くなってゆく圧電体薄膜１５を得ることができる。換言すれば、自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって膜厚が連続的に薄くなってゆく圧電体薄膜１５を得るためには、接着層１２、キャビティ形成膜１３及び下面電極１４における応力の状態を適切に調節すればよい。このような応力の状態の調整は、例えば、下面電極１４の膜厚や自由振動領域１９２の平面形状の選択によって行うことができる。

次に、圧電体薄膜１５の上面（研磨面）を有機溶剤で洗浄し、クロム膜と金膜とを圧電体薄膜１５の上面に順次成膜し、得られた積層膜を一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングすることにより、圧電体薄膜１５の、バイアホール１５５を形成すべき部分のみを露出させたエッチングマスク１９６を得る（図９）。

エッチングマスク１９６の形成後、加熱したバッファードフッ酸で圧電体薄膜１５のエッチングを行い、圧電体薄膜１５の上面と下面との間を貫通するバイアホール１５５を形成して下面電極１４を露出させるとともに、エッチングマスク１９６をエッチングにより除去する（図１０）。

そして、圧電体薄膜１５の上面の全面に金膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングを行い、上面電極１６，１７を得る（図３）。このとき、バイアホール１５５の内側面にも導電体薄膜が形成されるので、下面電極１４と上面電極１７との導通が確保される。これにより、圧電薄膜共振子１が製造されたことになる。

＜１．８ 振動エネルギーの閉じ込め効果＞
図１１〜図１５は、圧電体薄膜１５の膜厚が自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆく圧電薄膜共振子１において、それぞれ、Δｔ＝０．０８％，０．１％，２％，５％，１５％とした場合の周波数−インピーダンス特性の一例を示す図である。

一方、図１６は、圧電体薄膜の膜厚が自由振動領域の周縁部から中心部へ向かって連続的に厚くなってゆく圧電薄膜共振子において、Δｔ＝−１０％とした場合の周波数−インピーダンス特性の一例を示す図である。

また、図１７〜図２１は、圧電体薄膜１５の膜厚が自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆく圧電薄膜共振子１において、それぞれ、Δｔ＝０．０８％，０．１％，２％，５％，１５％とした場合のＳパラメータＳ₁₁の軌跡を示す図である。

一方、図２２は、圧電体薄膜の膜厚が自由振動領域の周縁部から中心部へ向かって連続的に厚くなってゆく圧電薄膜共振子において、Δｔ＝−１０％とした場合のＳパラメータＳ₁₁の軌跡を示す図である。

図１７〜図２２に示すＳパラメータＳ₁₁の軌跡は、周波数を変化させた場合のスミスチャート上の軌跡を描いたものとなっている。

さらに、図２３は、圧電体薄膜１５の膜厚が自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆく圧電薄膜共振子１において、Δｔ＝０．０８％，０．１％，２％，５％，１５％とした場合、及び、圧電体薄膜の膜厚が自由振動領域の周縁部から中心部へ向かって連続的に厚くなってゆく圧電薄膜共振子において、Δｔ＝−１０％とした場合の、振動のＱ値及び共振周波数や反共振周波数の近傍の副共振ピーク数を一覧表で示す図である。

図２３に示すように、圧電体薄膜１５の膜厚が自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆくようにした場合（Δｔ＝０．０８％，０．１％，２％，５％，１５％）は、連続的に厚くなってゆくようにした場合（Δｔ＝−１０％）よりも、振動のＱ値を向上することができている（１００→３００〜８００）。このような損失の減少は、連続的に薄くなってゆくようにした場合は、共振抵抗が低下し反共振抵抗が上昇する傾向にあるとともに（図１１〜図１６）、ＳパラメータＳ₁₁の軌跡がスミスチャート上の円周に近づくことにも表れている（図１７〜図２２）。

なお、図２３に示すように、圧電体薄膜１５の膜厚が自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆくようにした上で、０．１％≦Δｔ≦５％とすれば、Ｑ値を５００以上に向上することができるとともに、副共振のピークの数も減らすことができており、０．１％≦Δｔ≦５％とすることが特に望ましいことがわかる。

＜２ 第２実施形態＞
図１５は、本発明の第２実施形態の圧電薄膜共振子２の主要部の模式図である。図１５は、圧電薄膜共振子２の断面図となっている。

図１５に示すように、圧電薄膜共振子２は、支持基板２１の上に、接着層２２、キャビティ形成膜２３、下面電極２４、圧電体薄膜２５及び上面電極２６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２は、圧電体薄膜２５及び上面電極２６を除いては、圧電薄膜共振子１と同様の構造を有し、支持基板２１、接着層２２、キャビティ形成膜２３、下面電極２４、圧電体薄膜２５及び上面電極２６は、それぞれ、圧電薄膜共振子１の支持基板１１、接着層１２、キャビティ形成膜１３、下面電極１４、圧電体薄膜１５及び上面電極１６に相当するものとなっている。

圧電薄膜共振子１と圧電薄膜共振子２との相違は、圧電薄膜共振子１では、下面電極１４及び上面電極１６の膜厚を均一にし、圧電体薄膜１５の膜厚を自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆくようにしているのに対して、圧電薄膜共振子２では、下面電極２４及び圧電体薄膜２５の膜厚を均一にし、上面電極２６の膜厚を自由振動領域２９２の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆくようにしている点にある。

このような圧電薄膜共振子２でも、自由振動領域２９２からの振動エネルギーの漏れを減らすことができ、振動のＱ値を向上することができる。

このような圧電体薄膜２５は、圧電薄膜共振子１と同様に手順で圧電薄膜共振子２を製造する途上において、圧電体基板を除去加工する際の接着層２２、キャビティ形成膜２３及び下面電極２４における応力の状態を適切に調整すれば得ることができる。また、このような上面電極２６は、圧電薄膜共振子１と同様に手順により圧電薄膜共振子２を製造する途上において、略均一な膜厚の導電体薄膜を形成し、当該導電体薄膜をレーザやイオンビームにより除去加工すれば得ることができる。

なお、圧電薄膜共振子１の場合と同様に、上面電極２６の膜厚の分布幅、すなわち、自由振動領域２９２の周縁部における上面電極１５の膜厚（最大値）ｔ２と、自由振動領域２９２の中心部における上面電極２６の膜厚（最小値）ｔ１との膜厚差ｔ２−ｔ１は、正であって、膜厚ｔ１に対する比が０．１％以上５％以下［０．１％≦Δｔ＝（ｔ２−ｔ１）／ｔ１≦５％］であることが望ましい。この範囲内であれば、振動エネルギーの漏れを特に効果的に減らすことができるからである。また、０．１％≦Δｔ≦５％とすることがより望ましい点も圧電薄膜共振子１の場合と同様である。

＜３ その他＞
圧電薄膜共振子１では、上面電極１６の膜厚を均一とし、圧電体薄膜１５の膜厚を自由振動領域１９２の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆくようにし、圧電薄膜共振子２では、圧電体薄膜２５の膜厚を均一にし、上面電極２６の膜厚を自由振動領域２９２の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆくようにしたが、圧電体薄膜及び上面電極の両方の膜厚を自由振動領域の周縁部から中心部へ向かって連続的に薄くなってゆくようにしてもよい。

本発明の第１実施形態の圧電薄膜共振子の斜視図である。 本発明の第１実施形態の圧電薄膜共振子の平面図である。 本発明の第１実施形態の圧電薄膜共振子の断面図である。 自由振動領域の平面形状を示す図である。 製造途上の圧電薄膜共振子の断面図である。 製造途上の圧電薄膜共振子の断面図である。 製造途上の圧電薄膜共振子の断面図である。 製造途上の圧電薄膜共振子の断面図である。 製造途上の圧電薄膜共振子の断面図である。 製造途上の圧電薄膜共振子の断面図である。 圧電薄膜共振子の周波数−インピーダンス特性の一例を示す図である。 圧電薄膜共振子の周波数−インピーダンス特性の一例を示す図である。 圧電薄膜共振子の周波数−インピーダンス特性の一例を示す図である。 圧電薄膜共振子の周波数−インピーダンス特性の一例を示す図である。 圧電薄膜共振子の周波数−インピーダンス特性の一例を示す図である。 圧電薄膜共振子の周波数−インピーダンス特性の一例を示す図である。 圧電薄膜共振子のＳパラメータＳ₁₁の軌跡を示す図である。 圧電薄膜共振子のＳパラメータＳ₁₁の軌跡を示す図である。 圧電薄膜共振子のＳパラメータＳ₁₁の軌跡を示す図である。 圧電薄膜共振子のＳパラメータＳ₁₁の軌跡を示す図である。 圧電薄膜共振子のＳパラメータＳ₁₁の軌跡を示す図である。 圧電薄膜共振子のＳパラメータＳ₁₁の軌跡を示す図である。 圧電薄膜共振子の振動のＱ値及び副共振ピーク数を示す図である。 本発明の第２実施形態の圧電薄膜共振子の主要部の断面図である。

符号の説明

１，２ 圧電薄膜共振子
１１，２１ 支持基板
１２，２２ 接着層
１３，２３ キャビティ形成膜
１４，２４ 下面電極
１５，２５ 圧電体薄膜
１６，２６ 上面電極

Claims (3)

1. 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、
   前記圧電体薄膜の両主面に形成され、対向領域において前記圧電体薄膜を挟んで対向する電極膜と、
   前記圧電体薄膜と前記電極膜とを積層した振動体を支持する支持基板と、
   を備え、
   前記振動体が空洞によって前記支持基板から隔てられている自由振動領域の周縁部から中心部に向かって前記圧電体薄膜又は前記電極膜の膜厚が連続的に薄くなってゆく圧電薄膜デバイス。
2. 前記自由振動領域の周縁部における膜厚ｔ２と前記自由振動領域の中心部における膜厚ｔ１との膜厚差ｔ２−ｔ１が正である請求項１に記載の圧電薄膜デバイス。
3. 膜厚差ｔ２−ｔ１の膜厚ｔ１に対する比が０．１％以上５％以下である請求項２に記載の圧電薄膜デバイス。

Images