JP2009124583A

JP2009124583A - 圧電振動装置

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Publication number: JP2009124583A
Application number: JP2007298318A
Authority: JP
Inventors: Michiyasu Kushida; 道保串田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-06-04

Abstract

【課題】圧電薄膜を用いた圧電振動装置であって、圧電振動部の反りが生じ難い圧電振動装置を提供する。
【解決手段】圧電薄膜４を有する圧電振動部３が基体２の上面から浮かされて配置されており、該圧電振動部３において、圧電薄膜４に積層されている、圧電薄膜以外の材料からなる付加膜８を有し、該付加膜８が、圧電薄膜４に積層されていない部分である非被覆部８ｃを有する、圧電振動装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、発振子や帯域フィルタなどに用いられる圧電振動装置に関し、より詳細には、圧電薄膜に他の膜が積層された構造を有する圧電振動部を備える圧電振動装置に関する。

従来、圧電振動装置の小型化、特に薄型化を図るために圧電薄膜を利用した圧電振動装置が提案されている。

例えば、下記の特許文献１には、図１３に模式的正面断面図で示す圧電振動装置１００１が開示されている。圧電振動装置１００１では、基板１００２上に浮かされた状態で圧電振動部１００３が配置されている。圧電振動部１００３は、圧電薄膜１００４を有する。圧電薄膜１００４の下面に下部電極１００５が積層されており、圧電薄膜１００４の上面に上部電極１００６が積層されている。下部電極１００５と上部電極１００６とが圧電薄膜１００４を介して重なり合っている部分が駆動部であり、該駆動部に交流電界を印加することにより、圧電振動部１００３が振動する。また、圧電振動装置１００１では、下部電極１００５を覆うように圧電薄膜１００４の下面に付加膜１００９が積層されている。上面側においても、上部電極１００６及び圧電薄膜１００４を覆うように付加膜１０１０が積層されている。

圧電振動部１００３は、基板１００２の上面からギャップＡを隔てて浮かされている。圧電振動部１００３は矩形の平面形状を有し、拡がり振動モード、長さ振動モードまたは幅振動モードなどの輪郭振動モードで励振される。この振動モードの振動のノード点において圧電振動部１００３に支持部１００７，１００８が連ねられている。ここでは、支持部１００７，１００８の一端は基板１００２に固定されている。支持部１００７，１００８は、上記圧電薄膜１００４、下部電極１００５または上部電極１００６及び付加膜１００９，１０１０を延長することにより形成されている。

付加膜１００９，１０１０は、圧電薄膜１００４を保護する絶縁性材料を用いて形成されてもよく、あるいは温度補償作用を果たす材料により形成されてもよい旨が示されている。
ＷＯ２００７／０８８６９６Ａ１

特許文献１に記載の圧電振動装置１００１では、圧電振動部１００３が、０．５〜５．０μｍ程度の厚みの圧電薄膜１００４を有するため、また上記輪郭振動を利用しているため、平面形状が正方形の圧電板を用いた拡がり振動モードを利用する場合よりも低周波数域で用いることができるとされている。

また、付加膜１００９，１０１０により、例えば、周波数温度特性などを補償したり、周波数調整を行ったりすることができるとされている。

圧電振動部１００３においては、圧電薄膜１００４を含む積層膜が基板１００２の上面から空隙Ａを隔てて浮かされている。製造に際しては、犠牲層を形成した後に、犠牲層を覆うように圧電薄膜を含む部分を形成し、最後に犠牲層を除去することにより、上記空隙Ａが形成されている。

しかしながら、上記犠牲層を除去した後に、付加膜１００９，１０１０と圧電薄膜１００４との膜応力が異なるため、圧電振動部１００３が反ることがあった。その結果、矩形の平面形状の圧電振動部の中央が上方に凸になるように反った場合、圧電振動部のコーナ部が基板１００２の上面に接触することがあった。そのため、所望とする共振特性やフィルタ特性などを得ることができないことがあった。

また、逆に、圧電振動部の中央が下方に凸になるように反った場合も、所望とする共振特性やフィルタ特性などを得ることができないことがあった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、圧電振動部の少なくとも片面に圧電薄膜以外の材料からなる膜が積層されている圧電振動部を有し、しかも、上記膜の積層による圧電振動部における反りが生じ難く、従って所望とする共振特性やフィルタ特性などの振動特性を得ることを可能とする圧電振動装置を提供することにある。

本発明に係る圧電振動装置は、基体と、前記基体の表面から浮かされて配置された圧電振動部と、前記圧電振動部に一端が連結されており、他端が前記基体に連結されている支持部とを備え、前記圧電振動部が、圧電薄膜と、圧電薄膜の少なくとも一方面に積層された付加膜とを有し、該付加膜が、圧電薄膜に膜が積層されていない非被覆部を有するように設けられていることを特徴とする。

本発明に係る圧電振動装置において、上記圧電振動部は、圧電薄膜を用いて構成されている限り、特に限定されるわけではないが、本発明のある特定の局面では、前記圧電振動部が、前記圧電薄膜の一方面に形成された第１の振動電極と、前記圧電薄膜の他方面に形成されており、前記第１の振動電極と圧電薄膜を介して重なり合うように配置された第２の振動電極とをさらに有し、前記第１，第２の振動電極が圧電薄膜を介して重なり合わされている部分において駆動部が構成されており、前記駆動部が励振された際に、該駆動部を含む前記圧電振動部が振動するように構成されている。この場合、圧電薄膜の一方面に第１の振動電極を、他方面に第２の振動電極を形成するだけで、すなわち第１の振動電極−圧電薄膜−第２の振動電極の積層構造を形成するだけで、圧電振動部を形成することができる。

また、好ましくは、圧電振動部において、上記付加膜として、第１，第２の振動電極以外の膜が形成される。第１，第２の振動電極は、通常圧電薄膜と比べて非常に薄く、第１，第２の振動電極による膜応力は無視し得る程度の大きさである。従って、付加膜として、第１，第２の振動電極以外の膜が形成されている場合、該付加膜に非被覆部を設けられているので、本発明に従って圧電振動部の反りを低減することができる。

本発明において用いられる振動モードは特に限定されないが、好ましくは、圧電振動部における面振動モードが利用され、該面振動モードを利用するように圧電振動部が構成される。面振動モードとしては、幅振動、長さ振動または拡がり振動のような輪郭振動を挙げることができ、圧電振動の圧電薄膜面に沿う振動が利用される。この場合、圧電振動装置の薄型化を図ることができる。

圧電振動部においては、１つの上記非被覆部が形成されていてもよいが、好ましくは、１つの上記付加膜に複数形成されている。１つの上記付加膜に非被覆部が複数形成されている場合には、上記付加膜の膜応力と、圧電薄膜の膜応力とをより一層近づけることができると共に、圧電振動部の全領域に渡り膜応力差を小さくすることが可能となる。

好ましくは、圧電薄膜の一方面側に上記付加膜が形成され、その場合には、非被覆部を容易に形成することができる。もっとも、圧電薄膜の他方面側にも、上記付加膜を形成してもよい。圧電薄膜の両面において、付加膜を形成した場合には、膜応力差による圧電振動部の反りをより効果的に低減することができる。

本発明においては、好ましくは、前記圧電振動部において利用される振動の伝搬方向に沿う前記非被覆部の寸法が該振動の波長の１／３以下である。この場合には、圧電振動部の反りをより効果的に低減することができる。

上記非被覆部の平面形状については特に限定されない。スリット状の非被覆部が設けられてもよく、または複数の矩形の非被覆部が千鳥状に配置されていてもよい。また、複数の非被覆部が等間隔に配置されていることが好ましく、それによって、圧電振動部における圧電薄膜の膜応力と、上記付加膜の膜応力との差を圧電振動部のより広い領域において近づけることができる。

本発明に係る圧電振動装置では、上記非被覆部を有する付加膜が設けられているので、圧電薄膜の膜応力と、該付加膜の膜応力との差による影響を軽減することができる。そのため、圧電振動部の反りを抑制することができ、所望とする共振特性やフィルタ特性を確実に得ることが可能となる。

また、上記付加膜の材料や質量、並びに非被覆部の形状、数及び配置パターンを調整することにより、周波数調整を行うこともできる。

また、上記非被覆部の数、面積及び配置パターンを調整することにより、温度補償作用を調整することも可能となる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の一実施形態に係る圧電振動装置の模式的平面図であり、図２〜図４は図１中のＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線及びＤ−Ｄ線に沿う各断面図である。

圧電振動装置１は、基体２を有する。基体２は、高抵抗シリコン、絶縁性セラミックスまたは合成樹脂などの適宜の絶縁性材料からなる。基体２の上面から浮かされて、圧電振動部３が設けられている。

上記のように、圧電振動装置１では、圧電振動部３は、基体２の上面から浮かされた状態で設けられている。より具体的には、圧電振動部３は、圧電薄膜４の上面側及び下面側に電極を積層した構造を有する。圧電薄膜４は、ＡｌＮからなる。もっとも、圧電薄膜４を形成するための圧電材料としては、特に限定されない。例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス（ＰＺＴ系セラミックス）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、水晶などを挙げることができる。

圧電薄膜４は、少なくとも圧電振動部３において、厚み方向に分極軸が一様に備えられている。

圧電薄膜４の下面側には、第１の振動電極５が形成されている。圧電薄膜４の上面には、第２の振動電極６が形成されている。第１の振動電極５と第２の振動電極６とが圧電薄膜４を介して重なり合っている部分が駆動部である。駆動部とは、第１，第２の振動電極５，６から交流電圧を印加した際に、圧電薄膜４に電界が印加されて圧電効果により駆動される部分である。なお、圧電振動部３は、上記駆動部よりも大きな領域であり、駆動部が駆動された結果、面振動モードで振動する部分をいうものとする。

上記圧電振動部３は、矩形の平面形状を有し、本実施形態では、面振動モードとして該矩形の圧電振動部３の拡がりモードが利用される。すなわち、拡がりモードによる共振特性を得ることができるように、上記圧電振動部３の平面形状、上記駆動部の平面形状並びに圧電薄膜４の分極構造が決定されている。

上記圧電薄膜４の下面側には、付加膜７が積層されている。また、圧電薄膜４の上面側においても第２の振動電極６及び圧電薄膜４を被覆するように、付加膜８が積層されている。なお、図１では、付加膜８が形成されている領域をハッチングを付して明らかにしておく。

図１〜図４では、付加膜８は単一の材料層として図示されているが、本実施形態では、実際には、図５に示すように、付加膜８は、ＡｌＮ膜８ａと、ＡｌＮ膜８ａ上に積層されたＳｉＯ_２膜８ｂとを積層した２層構造の積層膜からなる。圧電薄膜４は、ＡｌＮからなり、第１，第２の振動電極５，６は、Ｐｔ膜からなる。また、下方の付加膜７は、ＳｉＯ_２からなる。

なお、膜厚は以下の通りである。

圧電薄膜４：１．６μｍ
第１，第２の振動電極５，６：０．１μｍのＰｔ膜
付加膜８：ＡｌＮ８ａ＝０．８μｍ＋ＳｉＯ_２膜８ｂ＝３．３μｍ
付加膜７：１．７μｍのＳｉＯ_２膜
また、本実施形態では、図１に示すように、上記付加膜８は、スリット状の非被覆部８ｃを有する。言い換えれば、付加膜８には、圧電薄膜４を被覆していないスリット状の非被覆部８ｃが形成されており、該非被覆部８ｃでは、付加膜８を構成する材料は存在しない。

本実施形態では、スパッタリング後、ペーストパターニングし、反応性イオンエッチング等により、上記非被覆部８ｃを有するように付加膜８がパターニングされている。反応型イオンエッチングでは、エッチング中に、炭素、水素または酸素を主成分とする反応生成物が圧電振動装置の表面や端面に付着することがある。付着したこのような反応生成物は、共振特性を劣化させるおそれがあるため、除去することが望ましい。反応性イオンエッチングを行った後には、フォトレジストなどのエッチングマスクを適宜の溶媒により除去する。

もっとも、反応性イオンエッチングに代えて、酸素プラズマを用いたドライエッチングにより、付加膜８のパターニングを行ってもよい。また、付加膜８に非被覆部８ｃを設けるに際しては、フォトリソグラフィー法以外の方法、例えばレーザやイオンビームによりトリミングする方法を用いてもよい。非被覆部８ｃを除いた領域において上記付加膜８が圧電薄膜４及び第２の振動電極６に積層されている。

なお、本発明においては、圧電薄膜に積層される膜は、上記付加膜８のように複数の膜を積層してなる積層膜であってもよい。すなわち、本発明における非被覆部が形成される付加膜とは、１層の膜である必要は必ずしもなく、複数の膜を積層してなる積層膜であってもよい。

本実施形態の特徴は、上記非被覆部８ｃが設けられていることにより、付加膜８と圧電薄膜４との膜応力差が小さくなり、それによって、圧電振動部３の反りが生じ難くされていることにある。これを、図６及び図７を参照して説明する。

図６は、第１の膜５１と第２の膜５２とが積層されている積層膜５３における反りを説明するための模式的斜視図である。第１の膜５１と第２の膜５２とがスパッタなどの薄膜形成法により形成され、積層されると、第１，第２の膜５１，５２はそれぞれ膜応力を有する。

なお、スパッタリングに限らず、蒸着などの他の薄膜形成方法により形成した場合でも、形成された薄膜はその材料及び成膜条件に応じた膜応力を有する。膜５１，５２の膜応力が、同じでない場合には、上記のように、積層膜５３が反ることとなる。この膜応力は、圧縮応力であってもよく、引張応力であってもよい。下側に位置している膜５１が上側に位置している膜５２に対して相対的に引張性である場合には、積層膜５３は、図６に示したように、上方に凸となるように反ることとなる。逆に、下方に位置する膜５１が上方に位置する膜５２に対して相対的に圧縮性である場合には、積層膜５３は下方に凸になるように反ることとなる。

すなわち、上側に位置する膜５２の膜応力−（下方に位置する膜応力）が負の場合、図６に示したように反ることとなり、正の値の場合には、中央は下方に凸となるように反ることとなる。そして、反りの大きさ自体は（膜５２の膜応力）−（膜５１の膜応力）の絶対値に依存することとなる。

従って、圧電振動部３において、例えば付加膜８の膜応力が圧電薄膜４の膜応力よりもさらに大きい圧縮応力である場合、図６に模式的示したような反りが生じ、矩形の平面形状を有する圧電振動部３のコーナ部が基体２の上面に接触するおそれがある。そのため、圧電振動装置１における振動特性が劣化するおそれがある。

これに対して、本実施形態では、上記スリット状の非被覆部８ｃが形成されている。この非被覆部８ｃの作用を、図７の模式図を参照して説明する。

図７は、膜５１上に、スリット状の非被覆部５４ａを除いて膜５４が形成されている積層膜５５を示す斜視図である。この積層膜５５では、膜５１の圧縮応力に対し、膜５４の膜応力が大きかったとしても、非被覆部５４ａが設けられているため、膜５１と膜５４による膜応力の差が小さくなる。そのため、積層膜５５では、図６に示す積層膜５３に比べて膜応力差による反りを抑制することができる。

本実施形態の圧電振動装置１では、上記のようにＳｉＯ_２膜８ｂを有する付加膜８に非被覆部８ｃが設けられているため、膜応力差による圧電振動部３の反りを抑制することができる。より具体的には、ＳｉＯ_２膜をスパッタリングにより形成した場合、−２００〜−１００ＭＰａの膜応力を有する。これに対して、ＡｌＮ膜をスパッタリングにより形成した場合０〜−１００ＭＰａの膜応力を有する。すなわち、ＳｉＯ_２からなる薄膜の膜応力は、その絶対値が、ＡｌＮからなる薄膜に比べて大きい。そのため、ＡｌＮからなる圧電薄膜４上に、ＳｉＯ_２膜８ｂを含む付加膜８を積層した場合、圧電振動部３が上方に凸となるように反りがちとなる。

すなわち、付加膜８ａがＡｌＮからなるものの、ＡｌＮ膜８ａの厚みは０．８μｍと、ＳｉＯ_２膜８ｂの厚みに比べかなり薄いため、付加膜８全体の膜応力は、圧電薄膜４の膜応力よりもその絶対値が大きくなる。そのため、圧電振動部３では、中央が上方に凸となるように反りがちとなる。

しかしながら、上記非被覆部８ｃが設けられていることにより、圧電薄膜４と、付加膜８との膜応力の絶対値の差が小さくなり、上記反りを抑制することができる。

なお、本発明において、上記非被覆部は適宜の平面形状を有するように形成され得る。例えば、図８に示すように、上記実施形態と同様に、スリット状の非被覆部８ｄを付加膜８に形成してもよい。図８〜図１１では、非被覆部の形状の把握を容易とするために、非被覆部については、ハッチングを付さず付加膜８を構成している材料が存在する部分については斜線のハッチングを付して示すこととする。

図９に示す変形例では、矩形の付加膜形成領域と、複数の矩形の非被覆部８ｅとが千鳥状に配置されている。

また、図１０に示す変形例では、スリット状の平行に延びる複数の非被覆部８ｆを介して帯状の付加膜形成部分が平行に延ばされている。また、図１１では、付加膜形成領域が格子状に区切られている。任意の格子が非被覆部領域８ｇとされており、残りの格子に薄膜形成材料が残存している。

上記のように、付加膜に形成される非被覆部の平面形状は適宜変形され得るが、好ましくは、圧電振動部の反りを抑制する上では、図９に示す複数の矩形の非被覆部８ａが千鳥状に配置されている構成が望ましい。もっとも、付加膜８が温度補償機能を有するＳｉＯ_２膜８ｂを有する場合、ＳｉＯ_２膜８ｂの面積が小さくなると、温度補償機能が損なわれるおそれがある。従って、反りの抑制と温度補償機能の両立を図るには、図８に示すようにスリット状の非被覆部８ｄを設けることが望ましい。

また、好ましくは、圧電振動部において利用する振動が伝搬する方向における非被覆部の寸法を、利用する振動の波長の１／３以下、より好ましくは１／２０以下とすることが望ましい。波長に対する音速不連続部分の寸法が小さくなることにより、伝搬する振動による波の散乱による損失が小さくなる。そのため、上記非被覆部を設けた振動特性の劣化を抑制する効果がより大きくなる。

なお、上記実施形態では、圧電薄膜４の上面側の付加膜８に非被覆部８ｃが設けられていたが、図１２に示す変形例のように、圧電薄膜４の下面側に設けられた付加膜７にも非被覆部７ａを設けてもよい。また、下面側にのみ付加膜７を形成してもよい。

本発明は、圧電薄膜と、圧電薄膜に積層される膜との膜応力差の絶対値を小さくすることにより、上記反りを抑制したことに特徴を有する。従って、圧電薄膜に積層される付加膜は、１層の膜である必要は必ずしもない。付加膜８のように複数の膜を積層した構造であってもよく、その場合、非被覆部は、全ての膜に設けられていることが望ましいが、少なくとも１層の膜に設けられてさえおればよい。

加えて、上記圧電薄膜以外の材料としては、ＳｉＯ_２に限定されず、ＳｉＮや他の適宜の絶縁性材料、半導体材料などを用いることができる。また、上記非被覆部が形成される膜は、圧電薄膜４を保護する保護膜であってもよく、温度補償を果たす温度補償膜であってもよい。ＳｉＯ_２は、ＡｌＮなどの圧電薄膜と周波数温度係数の極性が異なるため、圧電振動装置１においては、付加膜７，８の積層により、圧電薄膜４の温度特性が補償される。

なお、上記圧電薄膜４に積層される少なくとも１層の膜は、その材料及び質量等によって、周波数を調整する作用を有するものであってもよい。

特に、本発明では、上記少なくとも１層の膜に非被覆部が設けられるため、非被覆部の形状、面積、及び配置パターンを調整することにより、周波数調整作用を高精度に制御することができる。同様に、温度特性調整のための温度補償膜が少なくとも１層の膜である場合にも、上記非被覆部の数、形状、及び配置パターンを調整することにより、温度補償を高精度に調整することができる。

本発明の一実施形態の圧電振動装置の模式的平面図である。図１のＢ−Ｂ線に沿う模式的断面図である。図１のＣ−Ｃ線に沿う模式的断面図である。図１のＤ−Ｄ線に沿う模式的断面図である。第１の実施形態における圧電振動部の積層構造の詳細を説明するための模式的断面図である。膜応力が異なる２つの膜が積層されている積層膜における反りを説明するための模式的斜視図である。非被覆部が設けられている膜を有する積層膜における膜応力関係を模式的に説明するための斜視図である。本発明における非被覆部の形状の変形例を説明するための模式的平面図である。本発明における非被覆部の形状の他の変形例を説明するための模式的平面図である。本発明における非被覆部の形状のさらに他の変形例を説明するための模式的平面図である。本発明における非被覆部の形状のさらに別の変形例を説明するための模式的平面図である。本発明における圧電振動装置の変形例であって、圧電薄膜の両面に設けられた膜にそれぞれ非被覆部が形成されている領域を示す模式的部分切欠正面断面図である。従来の圧電振動装置を説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１…圧電振動装置
２…基体
３…圧電振動部
４…圧電薄膜
５…第１の振動電極
６…第２の振動電極
７…付加膜
８…付加膜
８ａ…ＡｌＮ膜
８ｂ…ＳｉＯ_２膜
９，１０…支持部
８ｃ…非被覆部
８ｄ〜８ｇ…非被覆部
５１…膜
５２…膜
５３…積層膜
５４…膜
５４ａ…非被覆部
５５…積層膜

Claims

基体と、
前記基体の表面から浮かされて配置された圧電振動部と、
前記圧電振動部に一端が連結されており、他端が前記基体に連結されている支持部とを備え、
前記圧電振動部が、圧電薄膜と、圧電薄膜の少なくとも一方面に積層された付加膜とを有し、該付加膜が、圧電薄膜に膜が積層されていない非被覆部を有するように設けられていることを特徴とする、圧電振動装置。
前記圧電振動部が、前記圧電薄膜の一方面に形成された第１の振動電極と、前記圧電薄膜の他方面に形成されており、前記第１の振動電極と圧電薄膜を介して重なり合うように配置された第２の振動電極とをさらに有し、
前記第１，第２の振動電極が圧電薄膜を介して重なり合わされている部分において駆動部が構成されており、前記駆動部が励振された際に、該駆動部を含む前記圧電振動部が振動するように構成されている、請求項１に記載の圧電振動装置。
前記圧電振動部において、前記付加膜として、前記第１，第２の振動電極以外の膜が形成されている、請求項２に記載の圧電振動装置。
前記圧電振動部における面振動モードを利用するように、前記圧電振動部が構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
前記非被覆部が複数形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
前記圧電薄膜の一方面側に前記付加膜が形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
前記圧電薄膜の他方面側にも、前記付加膜が形成されている、請求項６に記載の圧電振動装置。
前記圧電振動部において利用される振動の伝搬方向に沿う前記非被覆部の寸法が該振動の波長の１／３以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
前記非被覆部の平面形状がスリット状である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
前記非被覆部として、複数の矩形の非被覆部が千鳥状に配置されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
前記複数の非被覆部が等間隔に配置されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電振動装置。