JP3493315B2 - 圧電共振子 - Google Patents
圧電共振子Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電共振子に関し、
圧電体膜の両面に電極を形成した振動体の厚み縦振動の
共振を利用した圧電共振子に関するものである。 【０００２】 【従来技術】無線通信や電気回路に用いられる周波数の
高周波数化に伴い、これらの電気信号に対して用いられ
るフィルターも高周波数に対応したものが開発されてい
る。 【０００３】特に、最近注目されているのは、固体の表
面を伝わる音響波である表面弾性波の共振を用いる、Ｓ
ＡＷレゾネーターを用いたフィルターである。このフィ
ルターは、固体表面上に形成した櫛形の電極間に印加さ
れる高周波電界と表面弾性波の共振を用いており、１Ｇ
Ｈｚ程度までの共振周波数を持つフィルターが作製され
ている。 【０００４】しかしながら、ＳＡＷフィルターは、その
櫛形電極間距離が共振周波数に反比例するという関係に
あるため、１ＧＨｚを越える周波数領域では櫛形電極間
距離がサブミクロンオーダーとなり、電極作製が非常に
困難であった。 【０００５】今後、無線通信に用いられる電磁波の周波
数は、ますます高くなるものと予想され、既に、数ＧＨ
ｚ以上の規格策定の動きもあることから、それらの周波
数に対応した、安価で高性能なフィルターが求められて
いる。 【０００６】こうした要求に対して、新たに、圧電性を
示す薄膜の共振を利用した共振子が提案されている。こ
れは、入力される高周波電気信号に対して、圧電体薄膜
が振動を起こし、その振動が、圧電体薄膜の厚さ方向に
おいて共振を起こすことを用いた共振子である。 【０００７】この共振子は、表面弾性波ではなく固体中
を伝播する弾性波を用いることから、バルク・アコース
ティック・ウェーブ・レゾネーター（以下、ＢＡＷＲと
いう）と呼ばれている。このＢＡＷＲを構成する圧電体
薄膜の膜厚の制御は、サブミクロン以下の精度で可能で
あるため、ＳＡＷフィルターに比べて、より高い周波数
の共振周波数を持つレゾネーターの作製が可能となると
期待され、開発が進められてきた。 【０００８】従来のＢＡＷＲとしては、図１に示すよう
に、基体１と、該基体１表面に形成された支持膜２と、
該支持膜２上に形成された振動体３とからなり、該振動
体３は、下側電極５と、該下側電極５上に形成された圧
電体膜４と、該圧電体膜４上に形成された上側電極６と
からなるものである（ＵＳＰ４，３２０，３６５参
照）。支持膜２は、振動空間Ａを被覆するように基体１
上面に形成されている。 【０００９】従来のＢＡＷＲでは、圧電体薄膜材料とし
てＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ等が用いられ、基体材料とし
て主にＳｉが用いられ、電極材料としてＡｌ、Ａｕが用
いられており、圧電体薄膜を支える支持膜としてはＳｉ
Ｏ2 が用いられてきた。 【００１０】例えば、特開昭６０−６８７１０号公報に
は、圧電体薄膜材料としてＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ、基
体材料としてＳｉ、電極材料としてＡｌ、Ａｕ、支持膜
材料としてＳｉＯ2 が用いられている。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】ＢＡＷＲでは、振動の
伝播によって共振を得ているため、圧電体薄膜の振動特
性はもとより、この圧電体薄膜を支える支持膜の振動特
性がＢＡＷＲの特性に大きく影響する。 【００１２】しかしながら、従来のＢＡＷＲでは、圧電
体薄膜材料としてＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳが用いられ、
これらのＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ等の圧電材料は、共振
周波数の温度係数が大きいために温度安定度の高い圧電
共振子を得ることはできない。 【００１３】この対策として、従来、特開昭５８−１３
７３１７号公報には、温度安定度の高い薄膜圧電共振子
を得るために、ＺｎＯとＳｉＯ2 の共振周波数の温度係
数の符号が異なることに着目し、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ
2 膜を形成し、この上に電極、ＺｎＯ薄膜、電極膜の順
で形成し、振動部位にあたるＳｉ基板の部分をエッチン
グによって除去した圧電共振子が提案されている。 【００１４】しかしながら、このような圧電共振子で
は、ＳｉＯ2 は音速が小さく、また、ＺｎＯは電気機械
結合係数が小さく、高周波で広帯域のフィルターを構成
することは困難であった。また、圧電体薄膜の共振周波
数の温度係数が負で、支持膜の共振周波数の温度係数が
正の圧電共振子については、特開昭５８−１３７３１７
号公報に開示されるものの、支持膜としては加工性の点
から共振周波数の温度係数が正のＳｉＯ2 が用いられて
いたため、圧電体薄膜の共振周波数の温度係数を正に
し、支持膜の共振周波数の温度係数を負にする思想は存
在しなかった。 【００１５】本発明は、高周波で広帯域のフィルターを
構成できるとともに、共振周波数の温度特性の良好な圧
電共振子を提供することを目的とする。 【００１６】 【課題を解決するための手段】本発明の圧電共振子は、
振動空間を有する基体と、該基体表面に形成され前記振
動空間を被覆する支持膜と、圧電体膜の両面に電極を形
成してなり、かつ前記振動空間に面する前記支持膜の位
置に配置された振動体とを具備するとともに、前記圧電
体膜が共振周波数の温度係数が正の正方晶Ｐｂ（Ｚｒ，
Ｔｉ）Ｏ ３ 系圧電セラミックスからなり、前記支持膜が
共振周波数の温度係数が負のダイヤモンド又はＳｉＣか
らなることを特徴とするものである。 【００１７】ここで、圧電体膜がＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
3 系圧電セラミックスからなることが望ましい。また、
支持膜がダイヤモンドからなることが望ましい。 【００１８】 【作用】本発明の圧電共振子では、圧電体膜の共振周波
数の温度係数が正であり、支持膜の共振周波数の温度係
数が負であるため、圧電共振子全体としての共振周波数
の温度係数の絶対値を小さくすることができる。 【００１９】また、圧電体膜がＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3
系圧電セラミックスから構成することにより、圧電体膜
の電気機械結合係数を大きくできるとともに、共振周波
数の温度係数を正とすることができる。また、本発明で
は、上記支持膜の共振周波数の温度係数とは逆符号の、
正の周波数温度係数を持つような正方晶Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔ
ｉ）Ｏ3 系圧電材料よりなる圧電体膜を用いることによ
り、支持膜の温度係数と圧電体膜の温度係数が打ち消し
合い、圧電共振子の温度係数を小さくすることができ
る。 【００２０】Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材料は、Ｔ
ｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）比や、Ｂサイト置換イオン種及び量
をコントロールすることにより共振周波数の温度係数を
自由にコントロールすることが可能であり、共振周波数
の温度係数が所望の極性を持つ圧電材料を比較的容易に
作製することが可能である。 【００２１】Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材料は、従
来のＺｎＯ、ＡｌＮ等のｃ軸配向性の圧電材料を用いて
いた場合に比べて、共振周波数の温度係数のコントロー
ルが可能であり、支持膜の厚さ、共振周波数の温度係数
に応じた材料の開発が可能である。更に、正の共振周波
数の温度係数を持つような正方晶Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
3 系圧電材料は、ＭＰＢ近傍の組成であることから、電
気機械結合係数が大きく、圧電共振子の周波数差△Ｆを
増大することができる。その結果、従来のＺｎＯ、Ａｌ
Ｎ等の圧電材料を用いた場合に比べて、周波数差△Ｆを
大きくすることができる。 【００２２】本発明では、弾性定数の大きなダイヤモン
ド、ＳｉＣ薄膜等を支持膜に用いることにより、支持膜
の音速が大きくなり、図１の薄層部分全体（振動体と支
持膜の積層体）での音速を大きくすることができる。そ
の結果、共振を起こす音響波の周波数は、支持膜にＳｉ
Ｏ2 等を用いていた従来の場合に比べて大きくすること
ができる。 【００２３】また、ダイヤモンド、ＳｉＣ薄膜は硬度が
大きいため、膜厚が比較的小さな場合でも、振動体を機
械的に支える強度を得ることができる。従来のＳｉＯ2
では、充分な機械的強度を得るために、薄層化に限界が
あるものと考えられるが、ダイヤモンド薄膜を用いるこ
とで、この機械的強度による限界膜厚を小さくできる。
このため、従来技術による場合に比べて、さらに支持膜
の膜厚を小さくすることが可能であり、高音速特性であ
ることともあわせると、従来技術によって作製されたＢ
ＡＷＲに比べて高い共振周波数を実現できる。 【００２４】即ち、高周波で駆動するＢＡＷＲでは、圧
電体膜の両面に電極を形成した振動体と、この振動体を
支持する支持膜とから構成されているため、圧電体膜と
支持膜の両方の特性によりＢＡＷＲの特性が決定され
る。そこで、共振周波数の温度特性を良好にするための
手段としては、圧電体膜と共振周波数の温度係数の符号
の異なる材料で支持膜を構成することで、圧電共振子全
体としての共振周波数の温度係数の絶対値を小さくする
ことができる。 【００２５】一方、共振周波数を上げるためには、膜
厚を小さくする、振動の伝播速度、即ち音速を大きく
するの二つの方法がある。つまり、同じ膜厚ならば、音
速の大きな材料が有利である。膜厚の制御は可能である
が、現状の数ＧＨｚ以上の共振周波数を得るためには、
膜厚を小さくしていくだけでは不十分であると考えられ
る。音速の大きな材料を用いることで、同じ膜厚でも大
きな共振周波数を得ることができる。 【００２６】実際、図１に示すような構造では、振動す
る薄層部分（振動体および支持膜）の機械的強度は支持
膜によって与えられているため、この支持膜の膜厚は、
実際に振動を励振する圧電体膜およびそれを挟持する電
極に比べて大きくなる。従って、この薄層部分を共振す
る音響波のうちで、支持膜に含まれている割合はかなり
大きくなる。そのため、この薄層部分全体での平均的な
音速を考えた場合、支持膜での音速は重要である。それ
ゆえ、支持膜に音速の大きな材料を用いることは利点が
大きい。 【００２７】こうした考え方から、支持膜として音速の
大きい材料、特に、ダイヤモンド、ＳｉＣ等の材料を用
いた支持膜を使用することで高周波化を図ることができ
る。 【００２８】これらの支持膜材料の共振周波数の温度係
数は負であることから、圧電共振子の共振周波数の温度
特性を良好にするためには、圧電体膜材料としては共振
周波数の温度特性が正であるような材料を用いる必要が
ある。 【００２９】本発明では、共振周波数の温度係数が正と
なるような正方晶のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材料
に着目した。正方晶のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材
料は、従来から使用されていたＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電
材料と比較して、電気機械結合係数が２倍以上であり、
Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）比をコントロールすることにより
共振周波数の温度係数を正とすることができることは知
られている。 【００３０】また、近年の技術開発により良好なＰｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電薄膜を得ることも可能になっ
てきている。正方晶Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材料
で薄膜を作製した場合、多結晶体となり、成膜時に結晶
軸をｃ軸方向に配向させることで圧電性を示す膜を作製
することが可能である。また、成膜時の結晶軸の配向度
合いが低く、圧電性が弱い場合には、薄膜に必要温度以
上で直流電圧を印加し、分極方向をそろえ、圧電性を付
与することが可能である。 【００３１】本発明では、正の共振周波数の温度係数を
持つような正方晶系Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材料
を圧電体膜に用い、また、高音速、高強度で、負の周波
数温度係数を持つダイヤモンド、ＳｉＣを支持膜に用い
ることにより、共振周波数を大きくし、かつ温度特性の
平坦化を図った。 【００３２】 【発明の実施の形態】本発明の圧電共振子は、図１に示
すように、振動空間Ａを有する基体１と、基体１上に配
置され、振動空間Ａを被覆するように配置された支持膜
２と、振動空間Ａに面する支持膜２の位置に配置された
振動体３とから構成されており、この振動体３は、圧電
体膜４の下面に下側電極５、上面に上側電極６を形成し
て構成されている。 【００３３】基体１は、例えばシリコンからなり、エッ
チングすることにより振動空間Ａが形成されている。基
体１の振動空間Ａとは、振動体３の振動を基体１に伝達
しないための空間を言い、基体１に貫通孔を形成した
り、基体１の支持膜２を形成する部分に凹部を形成した
りすることにより作製される。 【００３４】本発明の圧電共振子は、支持膜として、ダ
イヤモンド、ＳｉＣ等の弾性定数の大きな材料からなる
薄膜層を用いる。 【００３５】また、圧電体膜には、正方晶Ｐｂ（Ｚｒ，
Ｔｉ）Ｏ3 系の圧電体材料が用いられる。圧電体膜は、
成膜時に結晶軸をｃ軸方向に配向させることにより、圧
電性を示す膜を作製することができる。また、圧電性が
弱い場合には、直流電圧を印加して圧電性を付与しても
良い。 【００３６】この圧電体膜を挟む電極層には、従来、多
く用いられているＡｌ、Ｐｔ、Ａｕ等比較的反応性が低
い金属材料が用いられる。圧電体膜の材料との反応を考
慮すると、電極材料としては、反応性の低いＰｔ、Ａｕ
が望ましい。 【００３７】 【実施例】まず、Ｓｉ（１００）からなる基板の表面
に、プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド薄膜を形成し
た。成長条件は、減圧下でＣＨ4 、ＣＯ2 、Ｈ2 混合ガ
スを用いて、マイクロ波を６ｋｗで入力し、膜厚が２．
５μｍのものを作製した。 【００３８】天然のダイヤモンドの特性は、ヤング率
１．２×１０12Ｎ／ｍ2 、密度３．５１ｇ／ｃｍ3 、音
速は１８５００ｍ／ｓであると報告されている。作製し
たダイヤモンド薄膜の特性は、密度が３．４ｇ／ｃｍ
3 、ヤング率が９．６×１０11Ｎ／ｍ2 であり、音速は
１６８００ｍ／ｓであり、音速の温度係数を求め、これ
から共振周波数の温度係数を求めたところ、−５０〜１
００℃において−１４ｐｐｍ／℃であった。 【００３９】音速は、天然のダイヤモンドに比べれば若
干小さいものの、ＳｉＯ2 （溶融石英）の音速５７００
ｍ／ｓに比べても約３倍の値であり、ＣＶＤ法等で作製
されるアモルファスのＳｉＯ2 膜に比べると、さらに高
音速である。単純に支持膜の音速だけで比べるならば、
同じ膜厚で３倍以上の共振周波数を実現できることにな
る。実際には、誘電体層や電極層が存在するため、単純
に３倍にはならないが、振動が伝わる経路の多くを占め
る支持膜の音速が３倍になるため、ダイヤモンドを用い
る効果は大である。 【００４０】次に、この基板の裏側よりＳｉをエッチン
グし、ダイヤモンド薄膜に達するビアホールを作成す
る。ここで用いているダイヤモンド薄膜は結晶質であ
り、しかも内部残留応力が小さいことが特徴である。そ
のため、数μｍ以下の膜厚でも、残留応力によって自己
破壊することなく自立膜を形成できる。 【００４１】こうして作製したダイヤモンドのダイアフ
ラムの上に、マグネトロンスパッタ法を用いて、Ｐｔ下
側電極を積層する。この下側電極の上に、Ｐｂ（Ｚｒ，
Ｔｉ）Ｏ3 圧電体膜をゾルゲル法にて作製した。Ｐｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 圧電体膜として、Ｐｂ（Ｎｂ0.60Ｙ
ｂ0.25Ｃｏ0.15）0.15（Ｚｒ0.525 Ｔｉ0.475 ）0.8503
Ｏ3 の組成式で表される圧電材料を用いた。この圧電体
膜の音速の温度係数から共振周波数の温度係数を求めた
ところ、−５０〜１００℃において５５ｐｐｍ／℃であ
った。 【００４２】更に、Ｐｔ上側電極を積層する。成長温度
は、両電極、圧電体膜ともに５００℃で、膜厚は、下側
電極、上側電極ともに１００ｎｍ、圧電体膜が８００ｎ
ｍであった。 【００４３】このダイヤモンド支持膜を採用した薄膜圧
電共振子を、従来のＳｉＯ2 支持膜の薄膜圧電共振子と
比較すると、本発明のダイヤモンド支持膜薄膜圧電共振
子は、より膜厚の小さい自立膜が形成でき、また、同膜
厚の場合には、共振周波数が大きくなる。まず、ＳｉＯ
2 膜は、膜厚１．５μｍ以下の場合は強度的に問題があ
り、自立膜を形成できなかった。ダイヤモンド支持膜に
関しては、膜厚１．０μｍまで、自立膜が形成できる。
従って、膜厚の点から高周波化を図る場合に本発明のダ
イヤモンド支持膜が有利であることが分かる。 【００４４】一方、支持膜の膜厚を２．５μｍとした場
合、ＳｉＯ2 支持膜を用いた場合の共振周波数が６３０
ＭＨｚであるのに対し、ダイヤモンド支持膜を用いた場
合には、共振周波数が１．２５ＧＨｚであった。すなわ
ち、同膜厚で約２倍の共振周波数が得られたことにな
り、この点でもダイヤモンド支持膜の有効性が示されて
いる。 【００４５】さらに、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電体
膜とダイヤモンド支持膜を用いた本発明の薄膜圧電共振
子は、共振周波数の温度係数を９ｐｐｍ／℃であり、１
０ｐｐｍ／℃以下に抑えることができ、温度安定性の良
好な薄膜圧電共振子を得ることができた。 【００４６】 【発明の効果】本発明の圧電共振子では、圧電体膜の共
振周波数の温度係数が正であり、支持膜の共振周波数の
温度係数が負であるため、圧電共振子全体としての共振
周波数の温度係数の絶対値を小さくすることが考えられ
る。このような効果は、圧電体膜としてＰｂ（Ｚｒ，Ｔ
ｉ）Ｏ3 系圧電セラミックスを、支持膜として、弾性定
数の大きなダイヤモンドを用いることにより容易に達成
できる。しかも、このような支持膜を用いることによ
り、音速が大きくなり、共振周波数の高周波化を促進で
き、さらに、ダイヤモンドは硬度が大きいため、膜厚が
比較的小さな場合でも、振動体を機械的に支える強度を
得ることができる。また、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧
電セラミックスを圧電膜として用いることにより、周波
数差ΔＦを大きくできる。
圧電体膜の両面に電極を形成した振動体の厚み縦振動の
共振を利用した圧電共振子に関するものである。 【０００２】 【従来技術】無線通信や電気回路に用いられる周波数の
高周波数化に伴い、これらの電気信号に対して用いられ
るフィルターも高周波数に対応したものが開発されてい
る。 【０００３】特に、最近注目されているのは、固体の表
面を伝わる音響波である表面弾性波の共振を用いる、Ｓ
ＡＷレゾネーターを用いたフィルターである。このフィ
ルターは、固体表面上に形成した櫛形の電極間に印加さ
れる高周波電界と表面弾性波の共振を用いており、１Ｇ
Ｈｚ程度までの共振周波数を持つフィルターが作製され
ている。 【０００４】しかしながら、ＳＡＷフィルターは、その
櫛形電極間距離が共振周波数に反比例するという関係に
あるため、１ＧＨｚを越える周波数領域では櫛形電極間
距離がサブミクロンオーダーとなり、電極作製が非常に
困難であった。 【０００５】今後、無線通信に用いられる電磁波の周波
数は、ますます高くなるものと予想され、既に、数ＧＨ
ｚ以上の規格策定の動きもあることから、それらの周波
数に対応した、安価で高性能なフィルターが求められて
いる。 【０００６】こうした要求に対して、新たに、圧電性を
示す薄膜の共振を利用した共振子が提案されている。こ
れは、入力される高周波電気信号に対して、圧電体薄膜
が振動を起こし、その振動が、圧電体薄膜の厚さ方向に
おいて共振を起こすことを用いた共振子である。 【０００７】この共振子は、表面弾性波ではなく固体中
を伝播する弾性波を用いることから、バルク・アコース
ティック・ウェーブ・レゾネーター（以下、ＢＡＷＲと
いう）と呼ばれている。このＢＡＷＲを構成する圧電体
薄膜の膜厚の制御は、サブミクロン以下の精度で可能で
あるため、ＳＡＷフィルターに比べて、より高い周波数
の共振周波数を持つレゾネーターの作製が可能となると
期待され、開発が進められてきた。 【０００８】従来のＢＡＷＲとしては、図１に示すよう
に、基体１と、該基体１表面に形成された支持膜２と、
該支持膜２上に形成された振動体３とからなり、該振動
体３は、下側電極５と、該下側電極５上に形成された圧
電体膜４と、該圧電体膜４上に形成された上側電極６と
からなるものである（ＵＳＰ４，３２０，３６５参
照）。支持膜２は、振動空間Ａを被覆するように基体１
上面に形成されている。 【０００９】従来のＢＡＷＲでは、圧電体薄膜材料とし
てＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ等が用いられ、基体材料とし
て主にＳｉが用いられ、電極材料としてＡｌ、Ａｕが用
いられており、圧電体薄膜を支える支持膜としてはＳｉ
Ｏ2 が用いられてきた。 【００１０】例えば、特開昭６０−６８７１０号公報に
は、圧電体薄膜材料としてＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ、基
体材料としてＳｉ、電極材料としてＡｌ、Ａｕ、支持膜
材料としてＳｉＯ2 が用いられている。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】ＢＡＷＲでは、振動の
伝播によって共振を得ているため、圧電体薄膜の振動特
性はもとより、この圧電体薄膜を支える支持膜の振動特
性がＢＡＷＲの特性に大きく影響する。 【００１２】しかしながら、従来のＢＡＷＲでは、圧電
体薄膜材料としてＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳが用いられ、
これらのＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ等の圧電材料は、共振
周波数の温度係数が大きいために温度安定度の高い圧電
共振子を得ることはできない。 【００１３】この対策として、従来、特開昭５８−１３
７３１７号公報には、温度安定度の高い薄膜圧電共振子
を得るために、ＺｎＯとＳｉＯ2 の共振周波数の温度係
数の符号が異なることに着目し、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ
2 膜を形成し、この上に電極、ＺｎＯ薄膜、電極膜の順
で形成し、振動部位にあたるＳｉ基板の部分をエッチン
グによって除去した圧電共振子が提案されている。 【００１４】しかしながら、このような圧電共振子で
は、ＳｉＯ2 は音速が小さく、また、ＺｎＯは電気機械
結合係数が小さく、高周波で広帯域のフィルターを構成
することは困難であった。また、圧電体薄膜の共振周波
数の温度係数が負で、支持膜の共振周波数の温度係数が
正の圧電共振子については、特開昭５８−１３７３１７
号公報に開示されるものの、支持膜としては加工性の点
から共振周波数の温度係数が正のＳｉＯ2 が用いられて
いたため、圧電体薄膜の共振周波数の温度係数を正に
し、支持膜の共振周波数の温度係数を負にする思想は存
在しなかった。 【００１５】本発明は、高周波で広帯域のフィルターを
構成できるとともに、共振周波数の温度特性の良好な圧
電共振子を提供することを目的とする。 【００１６】 【課題を解決するための手段】本発明の圧電共振子は、
振動空間を有する基体と、該基体表面に形成され前記振
動空間を被覆する支持膜と、圧電体膜の両面に電極を形
成してなり、かつ前記振動空間に面する前記支持膜の位
置に配置された振動体とを具備するとともに、前記圧電
体膜が共振周波数の温度係数が正の正方晶Ｐｂ（Ｚｒ，
Ｔｉ）Ｏ ３ 系圧電セラミックスからなり、前記支持膜が
共振周波数の温度係数が負のダイヤモンド又はＳｉＣか
らなることを特徴とするものである。 【００１７】ここで、圧電体膜がＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
3 系圧電セラミックスからなることが望ましい。また、
支持膜がダイヤモンドからなることが望ましい。 【００１８】 【作用】本発明の圧電共振子では、圧電体膜の共振周波
数の温度係数が正であり、支持膜の共振周波数の温度係
数が負であるため、圧電共振子全体としての共振周波数
の温度係数の絶対値を小さくすることができる。 【００１９】また、圧電体膜がＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3
系圧電セラミックスから構成することにより、圧電体膜
の電気機械結合係数を大きくできるとともに、共振周波
数の温度係数を正とすることができる。また、本発明で
は、上記支持膜の共振周波数の温度係数とは逆符号の、
正の周波数温度係数を持つような正方晶Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔ
ｉ）Ｏ3 系圧電材料よりなる圧電体膜を用いることによ
り、支持膜の温度係数と圧電体膜の温度係数が打ち消し
合い、圧電共振子の温度係数を小さくすることができ
る。 【００２０】Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材料は、Ｔ
ｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）比や、Ｂサイト置換イオン種及び量
をコントロールすることにより共振周波数の温度係数を
自由にコントロールすることが可能であり、共振周波数
の温度係数が所望の極性を持つ圧電材料を比較的容易に
作製することが可能である。 【００２１】Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材料は、従
来のＺｎＯ、ＡｌＮ等のｃ軸配向性の圧電材料を用いて
いた場合に比べて、共振周波数の温度係数のコントロー
ルが可能であり、支持膜の厚さ、共振周波数の温度係数
に応じた材料の開発が可能である。更に、正の共振周波
数の温度係数を持つような正方晶Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
3 系圧電材料は、ＭＰＢ近傍の組成であることから、電
気機械結合係数が大きく、圧電共振子の周波数差△Ｆを
増大することができる。その結果、従来のＺｎＯ、Ａｌ
Ｎ等の圧電材料を用いた場合に比べて、周波数差△Ｆを
大きくすることができる。 【００２２】本発明では、弾性定数の大きなダイヤモン
ド、ＳｉＣ薄膜等を支持膜に用いることにより、支持膜
の音速が大きくなり、図１の薄層部分全体（振動体と支
持膜の積層体）での音速を大きくすることができる。そ
の結果、共振を起こす音響波の周波数は、支持膜にＳｉ
Ｏ2 等を用いていた従来の場合に比べて大きくすること
ができる。 【００２３】また、ダイヤモンド、ＳｉＣ薄膜は硬度が
大きいため、膜厚が比較的小さな場合でも、振動体を機
械的に支える強度を得ることができる。従来のＳｉＯ2
では、充分な機械的強度を得るために、薄層化に限界が
あるものと考えられるが、ダイヤモンド薄膜を用いるこ
とで、この機械的強度による限界膜厚を小さくできる。
このため、従来技術による場合に比べて、さらに支持膜
の膜厚を小さくすることが可能であり、高音速特性であ
ることともあわせると、従来技術によって作製されたＢ
ＡＷＲに比べて高い共振周波数を実現できる。 【００２４】即ち、高周波で駆動するＢＡＷＲでは、圧
電体膜の両面に電極を形成した振動体と、この振動体を
支持する支持膜とから構成されているため、圧電体膜と
支持膜の両方の特性によりＢＡＷＲの特性が決定され
る。そこで、共振周波数の温度特性を良好にするための
手段としては、圧電体膜と共振周波数の温度係数の符号
の異なる材料で支持膜を構成することで、圧電共振子全
体としての共振周波数の温度係数の絶対値を小さくする
ことができる。 【００２５】一方、共振周波数を上げるためには、膜
厚を小さくする、振動の伝播速度、即ち音速を大きく
するの二つの方法がある。つまり、同じ膜厚ならば、音
速の大きな材料が有利である。膜厚の制御は可能である
が、現状の数ＧＨｚ以上の共振周波数を得るためには、
膜厚を小さくしていくだけでは不十分であると考えられ
る。音速の大きな材料を用いることで、同じ膜厚でも大
きな共振周波数を得ることができる。 【００２６】実際、図１に示すような構造では、振動す
る薄層部分（振動体および支持膜）の機械的強度は支持
膜によって与えられているため、この支持膜の膜厚は、
実際に振動を励振する圧電体膜およびそれを挟持する電
極に比べて大きくなる。従って、この薄層部分を共振す
る音響波のうちで、支持膜に含まれている割合はかなり
大きくなる。そのため、この薄層部分全体での平均的な
音速を考えた場合、支持膜での音速は重要である。それ
ゆえ、支持膜に音速の大きな材料を用いることは利点が
大きい。 【００２７】こうした考え方から、支持膜として音速の
大きい材料、特に、ダイヤモンド、ＳｉＣ等の材料を用
いた支持膜を使用することで高周波化を図ることができ
る。 【００２８】これらの支持膜材料の共振周波数の温度係
数は負であることから、圧電共振子の共振周波数の温度
特性を良好にするためには、圧電体膜材料としては共振
周波数の温度特性が正であるような材料を用いる必要が
ある。 【００２９】本発明では、共振周波数の温度係数が正と
なるような正方晶のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材料
に着目した。正方晶のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材
料は、従来から使用されていたＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電
材料と比較して、電気機械結合係数が２倍以上であり、
Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）比をコントロールすることにより
共振周波数の温度係数を正とすることができることは知
られている。 【００３０】また、近年の技術開発により良好なＰｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電薄膜を得ることも可能になっ
てきている。正方晶Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材料
で薄膜を作製した場合、多結晶体となり、成膜時に結晶
軸をｃ軸方向に配向させることで圧電性を示す膜を作製
することが可能である。また、成膜時の結晶軸の配向度
合いが低く、圧電性が弱い場合には、薄膜に必要温度以
上で直流電圧を印加し、分極方向をそろえ、圧電性を付
与することが可能である。 【００３１】本発明では、正の共振周波数の温度係数を
持つような正方晶系Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電材料
を圧電体膜に用い、また、高音速、高強度で、負の周波
数温度係数を持つダイヤモンド、ＳｉＣを支持膜に用い
ることにより、共振周波数を大きくし、かつ温度特性の
平坦化を図った。 【００３２】 【発明の実施の形態】本発明の圧電共振子は、図１に示
すように、振動空間Ａを有する基体１と、基体１上に配
置され、振動空間Ａを被覆するように配置された支持膜
２と、振動空間Ａに面する支持膜２の位置に配置された
振動体３とから構成されており、この振動体３は、圧電
体膜４の下面に下側電極５、上面に上側電極６を形成し
て構成されている。 【００３３】基体１は、例えばシリコンからなり、エッ
チングすることにより振動空間Ａが形成されている。基
体１の振動空間Ａとは、振動体３の振動を基体１に伝達
しないための空間を言い、基体１に貫通孔を形成した
り、基体１の支持膜２を形成する部分に凹部を形成した
りすることにより作製される。 【００３４】本発明の圧電共振子は、支持膜として、ダ
イヤモンド、ＳｉＣ等の弾性定数の大きな材料からなる
薄膜層を用いる。 【００３５】また、圧電体膜には、正方晶Ｐｂ（Ｚｒ，
Ｔｉ）Ｏ3 系の圧電体材料が用いられる。圧電体膜は、
成膜時に結晶軸をｃ軸方向に配向させることにより、圧
電性を示す膜を作製することができる。また、圧電性が
弱い場合には、直流電圧を印加して圧電性を付与しても
良い。 【００３６】この圧電体膜を挟む電極層には、従来、多
く用いられているＡｌ、Ｐｔ、Ａｕ等比較的反応性が低
い金属材料が用いられる。圧電体膜の材料との反応を考
慮すると、電極材料としては、反応性の低いＰｔ、Ａｕ
が望ましい。 【００３７】 【実施例】まず、Ｓｉ（１００）からなる基板の表面
に、プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド薄膜を形成し
た。成長条件は、減圧下でＣＨ4 、ＣＯ2 、Ｈ2 混合ガ
スを用いて、マイクロ波を６ｋｗで入力し、膜厚が２．
５μｍのものを作製した。 【００３８】天然のダイヤモンドの特性は、ヤング率
１．２×１０12Ｎ／ｍ2 、密度３．５１ｇ／ｃｍ3 、音
速は１８５００ｍ／ｓであると報告されている。作製し
たダイヤモンド薄膜の特性は、密度が３．４ｇ／ｃｍ
3 、ヤング率が９．６×１０11Ｎ／ｍ2 であり、音速は
１６８００ｍ／ｓであり、音速の温度係数を求め、これ
から共振周波数の温度係数を求めたところ、−５０〜１
００℃において−１４ｐｐｍ／℃であった。 【００３９】音速は、天然のダイヤモンドに比べれば若
干小さいものの、ＳｉＯ2 （溶融石英）の音速５７００
ｍ／ｓに比べても約３倍の値であり、ＣＶＤ法等で作製
されるアモルファスのＳｉＯ2 膜に比べると、さらに高
音速である。単純に支持膜の音速だけで比べるならば、
同じ膜厚で３倍以上の共振周波数を実現できることにな
る。実際には、誘電体層や電極層が存在するため、単純
に３倍にはならないが、振動が伝わる経路の多くを占め
る支持膜の音速が３倍になるため、ダイヤモンドを用い
る効果は大である。 【００４０】次に、この基板の裏側よりＳｉをエッチン
グし、ダイヤモンド薄膜に達するビアホールを作成す
る。ここで用いているダイヤモンド薄膜は結晶質であ
り、しかも内部残留応力が小さいことが特徴である。そ
のため、数μｍ以下の膜厚でも、残留応力によって自己
破壊することなく自立膜を形成できる。 【００４１】こうして作製したダイヤモンドのダイアフ
ラムの上に、マグネトロンスパッタ法を用いて、Ｐｔ下
側電極を積層する。この下側電極の上に、Ｐｂ（Ｚｒ，
Ｔｉ）Ｏ3 圧電体膜をゾルゲル法にて作製した。Ｐｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 圧電体膜として、Ｐｂ（Ｎｂ0.60Ｙ
ｂ0.25Ｃｏ0.15）0.15（Ｚｒ0.525 Ｔｉ0.475 ）0.8503
Ｏ3 の組成式で表される圧電材料を用いた。この圧電体
膜の音速の温度係数から共振周波数の温度係数を求めた
ところ、−５０〜１００℃において５５ｐｐｍ／℃であ
った。 【００４２】更に、Ｐｔ上側電極を積層する。成長温度
は、両電極、圧電体膜ともに５００℃で、膜厚は、下側
電極、上側電極ともに１００ｎｍ、圧電体膜が８００ｎ
ｍであった。 【００４３】このダイヤモンド支持膜を採用した薄膜圧
電共振子を、従来のＳｉＯ2 支持膜の薄膜圧電共振子と
比較すると、本発明のダイヤモンド支持膜薄膜圧電共振
子は、より膜厚の小さい自立膜が形成でき、また、同膜
厚の場合には、共振周波数が大きくなる。まず、ＳｉＯ
2 膜は、膜厚１．５μｍ以下の場合は強度的に問題があ
り、自立膜を形成できなかった。ダイヤモンド支持膜に
関しては、膜厚１．０μｍまで、自立膜が形成できる。
従って、膜厚の点から高周波化を図る場合に本発明のダ
イヤモンド支持膜が有利であることが分かる。 【００４４】一方、支持膜の膜厚を２．５μｍとした場
合、ＳｉＯ2 支持膜を用いた場合の共振周波数が６３０
ＭＨｚであるのに対し、ダイヤモンド支持膜を用いた場
合には、共振周波数が１．２５ＧＨｚであった。すなわ
ち、同膜厚で約２倍の共振周波数が得られたことにな
り、この点でもダイヤモンド支持膜の有効性が示されて
いる。 【００４５】さらに、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧電体
膜とダイヤモンド支持膜を用いた本発明の薄膜圧電共振
子は、共振周波数の温度係数を９ｐｐｍ／℃であり、１
０ｐｐｍ／℃以下に抑えることができ、温度安定性の良
好な薄膜圧電共振子を得ることができた。 【００４６】 【発明の効果】本発明の圧電共振子では、圧電体膜の共
振周波数の温度係数が正であり、支持膜の共振周波数の
温度係数が負であるため、圧電共振子全体としての共振
周波数の温度係数の絶対値を小さくすることが考えられ
る。このような効果は、圧電体膜としてＰｂ（Ｚｒ，Ｔ
ｉ）Ｏ3 系圧電セラミックスを、支持膜として、弾性定
数の大きなダイヤモンドを用いることにより容易に達成
できる。しかも、このような支持膜を用いることによ
り、音速が大きくなり、共振周波数の高周波化を促進で
き、さらに、ダイヤモンドは硬度が大きいため、膜厚が
比較的小さな場合でも、振動体を機械的に支える強度を
得ることができる。また、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系圧
電セラミックスを圧電膜として用いることにより、周波
数差ΔＦを大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電共振子の基本構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・基体
２・・・支持膜
３・・・振動体
４・・・圧電体膜
５・・・下側電極
６・・・上側電極
Ａ・・・振動空間
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平４−349164（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−148186（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−209794（ＪＰ，Ａ)
特公 平５−32925（ＪＰ，Ｂ２)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H03H 9/00 - 9/215
H03H 9/54 - 9/60
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】振動空間を有する基体と、該基体表面に形
成され前記振動空間を被覆する支持膜と、圧電体膜の両
面に電極を形成してなり、かつ前記振動空間に面する前
記支持膜の位置に配置された振動体とを具備するととも
に、前記圧電体膜が共振周波数の温度係数が正の正方晶
Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ ３ 系圧電セラミックスからなり、
前記支持膜が共振周波数の温度係数が負のダイヤモンド
又はＳｉＣからなることを特徴とする圧電共振子。
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