JP4471443B2 - The piezoelectric resonator - Google Patents

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JP4471443B2
JP4471443B2 JP2000092467A JP2000092467A JP4471443B2 JP 4471443 B2 JP4471443 B2 JP 4471443B2 JP 2000092467 A JP2000092467 A JP 2000092467A JP 2000092467 A JP2000092467 A JP 2000092467A JP 4471443 B2 JP4471443 B2 JP 4471443B2
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耕世 神垣
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京セラ株式会社
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【0001】 [0001]
【発明の属する技術分野】 BACKGROUND OF THE INVENTION
本発明は、携帯電話、無線LAN等に用いられる圧電共振子に関するものであり、特に、圧電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。 The present invention is a mobile phone, relates piezoelectric resonator used for wireless LAN or the like, in particular, to a piezoelectric resonator utilizing the resonance of the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric element.
【0002】 [0002]
【従来技術】 [Prior art]
近年、無線通信や電気回路に用いられる周波数の高周波数化がますます進んでおり、これに伴って、これらの電気信号に対して用いられるフィルタも高周波数に対応したものが要求され、開発が行われている。 Recently, higher frequency of the frequency used for wireless communication and electric circuits are more densely, along with this, those corresponding to the filter is also high frequency used for these electrical signals is required, the development It has been made.
【0003】 [0003]
最近は、特に、バルク・アコースティック・ウェーブ・レゾネーター(BAWR)と呼ばれる共振子とそれを用いたフィルタの開発が進められている。 Recently, in particular, the development of a filter using the same and resonator called bulk acoustic wave resonator (BAWR) has been promoted. これは、入力される高周波電気信号に対して、圧電薄膜が振動を起こし、その振動が、薄膜の厚さ方向に共振を起こすことを用いた共振子であり、GHz領域の高い共振周波数を持つレゾネーターなどへの応用が期待されるとともに、この共振子を複数並べることにより、GHz領域の高い共振周波数に対応したフィルタが期待されている。 This means that for high-frequency electric signal input, the piezoelectric thin film cause vibration, the vibration is a resonator using that resonates in the thickness direction of the film, with a high resonant frequency of the GHz range with applications resonators the like are expected, by arranging a plurality of the resonators, filters corresponding to the high resonant frequency of the GHz range are expected.
【0004】 [0004]
BAWRの基本的な構造は、図3に示すように、基体21と、該基体21表面上に形成された支持膜22と、該支持膜22上に形成された中間層23と、該中間層23上に形成された第1電極24と、該第1電極24上に形成された圧電体25と、該圧電体25上に形成された2つの第2電極26とからなるもので、例えば特開平10−209793号公報に開示されており、基体21はSi、支持膜22はSiO 2 、中間層23はTi、第1電極24はPt、圧電体25はPZT、第2電極26はAlが用いられている。 The basic structure of the BAWR, as shown in FIG. 3, the base body 21, a support film 22 formed on the base member 21 on a surface, and the support film intermediate layer 23 formed on the 22, the intermediate layer a first electrode 24 formed on the 23, made of a piezoelectric body 25 formed on the first electrode 24, piezoelectric body 25 formed on the two second electrode 26., for example, Japanese is disclosed in Unexamined 10-209793, JP-substrate 21 of Si, the support film 22 is SiO 2, the intermediate layer 23 is Ti, the first electrode 24 is Pt, the piezoelectric body 25 PZT, second electrode 26 of Al is It has been used.
【0005】 [0005]
支持膜22は、基体21に形成された振動空間Aを被覆するように、基体21上面に支持膜22を形成することにより、支持膜22の空間Aに接する部分が振動することになる。 Supporting film 22 so as to cover the vibration space A formed on the substrate 21, by forming the support film 22 to the substrate 21 upper surface, a portion in contact with the space A of the support film 22 will vibrate. したがって、空間Aに接する支持膜22と、その表面に形成された中間層23、第1電極24、圧電体25、および第2電極26が一体となって振動するので、これらの層を支える支持膜22は強度が要求される。 Therefore, a support film 22 in contact with the space A, the intermediate layer 23 formed on the surface thereof, a first electrode 24, the piezoelectric element 25, and the second electrode 26 vibrates together, support these layers support film 22 strength is required.
【0006】 [0006]
しかし、GHzの高周波領域での使用を考えると、支持膜が薄く、音速の大きな材料が望まれ、支持膜に窒化珪素を形成した圧電共振子が特開昭60−68711号公報に提案されている。 However, given the use of a high frequency region of GHz, thin support film, a large material is desired the speed of sound, a piezoelectric resonator forming a silicon nitride support film is proposed in JP-A-60-68711 there.
【0007】 [0007]
その構造は、図4に示すように、基体31と、該基体31表面上に形成された支持膜32と、該支持膜32上に形成された第1電極34と、該第1電極34上に形成された圧電体35と、該圧電体35上に形成された2つの第2電極36と、該第2電極36上に形成された保護膜37で構成されている。 Its structure is as shown in FIG. 4, a base 31, a support film 32 formed on the base body 31 on the surface, a first electrode 34 formed on the supporting film 32, the first electrode 34 on the piezoelectric body 35 formed, and two second electrodes 36 formed on the piezoelectric body 35, and a protective film 37 formed on the second electrode 36.
【0008】 [0008]
なお、支持膜32は、基体31に形成された振動空間Aを被覆するように、基体31上面に支持膜32を形成することにより、支持膜32の空間Aに接する部分が振動することになる。 The support film 32, so as to cover the vibration space A formed on the substrate 31, by forming the support film 32 to the substrate 31 upper surface, a portion in contact with the space A of the support film 32 will vibrate . また、基体31はSi、支持膜32はSi 34 、第1電極34および第2電極36はCr−AuまたはTi−Au、圧電体35はZnO、AlNまたはCdSが用いられている。 Further, the substrate 31 is Si, the support film 32 is Si 3 N 4, the first electrode 34 and the second electrode 36 Cr-Au or Ti-Au, the piezoelectric body 35 is ZnO, AlN or CdS have been used.
【0009】 [0009]
【発明が解決しようとする課題】 [Problems that the Invention is to Solve
しかしながら、圧電体35としてZnO、AlNまたはCdSなどの強誘電体以外の圧電体を用いて共振子を構成すると、圧電性が小さいため、大面積となって小型の共振子を実現できないという問題があった。 However, ZnO as a piezoelectric body 35, to constitute resonators with a piezoelectric body, other than a ferroelectric material such as AlN or CdS, since the piezoelectric property is small, can not be achieved a compact resonator becomes large area there were.
【0010】 [0010]
また、圧電性の大きいペロブスカイト構造を持つ強誘電体の酸化物であるPbZrTiO 3系セラミックスまたはPbTiO 3系セラミックスなどを圧電体35として用いた場合、圧電体35の形成時に、金属膜からなる第1電極34と金属酸化物からなる圧電体35との界面でPbを主体とする反応層が形成され、この反応層を介して第1電極34と圧電体35との密着性が良好となる。 Also, when using a PbZrTiO 3 based ceramics or PbTiO 3 based ceramic is an oxide of a ferroelectric having a large perovskite structure of the piezoelectric piezoelectric body 35, during the formation of the piezoelectric body 35, the formed of a metal film 1 the reaction layer mainly composed of Pb at the interface between the piezoelectric body 35 made of the electrode 34 and the metal oxide is formed, adhesion between the first electrode 34 and the piezoelectric body 35 via the reaction layer is improved.
【0011】 [0011]
しかし、第1電極34がなく、圧電体35と支持膜32とが当接してなる部位においては、酸化物である圧電体と窒化物である支持膜との界面で原子レベルの結合を形成しにくいため、密着性が悪く、剥離、膨れおよびボイド形成といった現象が発生し、製品不良率が高くなり、たとえ良品となっても内部応力が高く、信頼性が低いという問題があった。 However, there is no first electrode 34, at a site between the piezoelectric body 35 and the supporting film 32 is in contact is to form a bond interface at atomic level of the support film is a piezoelectric element and a nitride of an oxide hard to reason, adhesion is poor, delamination, blistering and phenomenon voiding occurs, the product failure rate is high, high internal stress even if a non-defective, there is a problem that reliability is low.
【0012】 [0012]
本発明は、製品の不良が少なく、信頼性が高く、高周波に対応した小型の圧電共振子を提供することを目的としている。 The present invention has less defects of the product, reliable, and its object is to provide a piezoelectric resonator of small corresponding to a high frequency.
【0013】 [0013]
【課題を解決するための手段】 In order to solve the problems]
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してなる支持膜と、該支持膜上に形成された中間層と、該中間層上に形成され、かつ一対の電極で挟持された圧電体からなる振動体とを具備するとともに、前記振動体の前記圧電体が、前記振動体の前記支持膜側に形成された前記電極のまわりの前記中間層上にも形成されており 、前記支持膜が窒化珪素、前記中間層が酸化チタン、前記圧電体がPbZrTiO 系セラミックス(以下、単にPZTと記すことがある)またはPbTiO 系セラミックス(以下、単にPTと記すことがある)であることを特徴とするものである。 The piezoelectric resonator of the present invention comprises a substrate having a vibration space is formed on the substrate surface, a support film formed by coating the vibration space, an intermediate layer formed on the support film, the intermediate layer to be formed, and as well as and a vibrating body made of piezoelectric material sandwiched between a pair of electrodes, the piezoelectric body of the vibrator, around said support layer formed in said side electrode of the vibrator the are also formed on the intermediate layer, the support film is a silicon nitride, said intermediate layer is titanium oxide, the piezoelectric body is PbZrTiO 3 based ceramic (hereinafter sometimes simply referred to as PZT) or PbTiO 3 based ceramics ( or less, characterized in that it is sometimes simply referred to as PT).
【0014】 [0014]
この構成により、窒化珪素からなる支持膜、PZTまたはPTからなる圧電体との間に酸化チタンからなる中間層を形成することにより、中間層と支持膜の界面および中間層と圧電体の界面で、Tiの関与する原子結合が形成され、支持膜と圧電体との密着性が向上し、その結果、製品の不良が減少し、信頼性を高めることができる。 This configuration supporting film made of silicon nitride, by forming an intermediate layer made of titanium oxide between the piezoelectric body made of PZT or PT, at the interface of the interface and the intermediate layer and the piezoelectric intermediate layer and the support film , involved atomic bonds Ti is formed to improve the adhesion between the support film and the piezoelectric, so that defective products is reduced, reliability can be improved. また、強度が高く、音速度の高い窒化珪素を用いるため、GHzオーダーの高周波に対応ができる。 Moreover, high strength, for using the high sound velocity silicon nitride, may correspond to the frequency of the GHz order. また、PZTまたはPTを用いるため、圧電性が大きく、小型化が可能となる。 Moreover, since the use of PZT or PT, piezoelectric large, can be miniaturized.
【0015】 [0015]
また、 前記振動体の前記支持膜側に形成された前記電極が、前記支持膜上に形成されたTi層と該Ti層上に形成されたAu層との積層体であることが望ましい。 Moreover, the electrode formed on the support film side of the vibrating body, it is desirable that the laminate of the support Ti layer formed on the film and the Ti layer an Au layer formed on. すなわち、AuはPtに比べて体積抵抗値が1/5と小さいため、大きなQ値が期待できる。 That, Au because volume resistance value in comparison with the Pt as small as 1/5, a large Q value can be expected. また、Tiを中間層として用いることで支持膜と密着性が高く信頼性の高い圧電共振子を実現できる。 Further, it is possible to realize a support film and high adhesiveness reliable piezoelectric resonator by using Ti as the intermediate layer.
【0016】 [0016]
さらに、密着性を向上し、剥離、膨れを抑制するため、酸化チタンからなる中間層の厚みが10〜300nmであることが好ましい。 Furthermore, to improve the adhesion, peeling, for suppressing the swelling, the thickness of the intermediate layer made of titanium oxide is preferably 10 to 300 nm.
【0017】 [0017]
さらにまた、振動体を支持するために十分の強度を有し、かつGHzオーダーのより高い周波数で共振するために、窒化珪素からなる支持膜の厚みが0.3〜3μmであることが好ましい。 Furthermore, in order to resonate at a higher frequency of sufficient strength has, and GHz order to support the vibrating body, it is preferable that the thickness of the support film made of silicon nitride is 0.3 to 3 m.
【0018】 [0018]
【発明の実施の形態】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
本発明の圧電共振子は、図1に示すように、基体1上に支持膜2が形成され、この支持膜2の上面に、中間層3が形成され、この中間層3の上面に、第1電極4が形成され、さらにその上に圧電体5、第2電極7が順次設けられている。 The piezoelectric resonator of the present invention, as shown in FIG. 1, the support layer 2 is formed on the substrate 1, the upper surface of the support film 2, the intermediate layer 3 is formed on the upper surface of the intermediate layer 3, the first electrode 4 is formed, further piezoelectric body 5, the second electrode 7 are sequentially formed thereon. 第1電極4および第2電極7が圧電体5を挟持して振動体8が形成されている。 The first electrode 4 and the second electrode 7 is vibrating body 8 by sandwiching a piezoelectric body 5 is formed. また、支持膜2の振動体8形成面の反対側には、振動空間Aが設けられている。 Further, on the opposite side of the vibrating body 8 forming surface of the support film 2, the vibration space A is provided.
【0019】 [0019]
支持膜2は、高強度高硬質材料である窒化珪素からなることが重要である。 Support film 2, it is important that made of silicon nitride is a high strength and high rigid material. 窒化珪素は、高強度、高硬度であるばかりでなく、残留応力を小さく抑えることが可能であり、スパッタ法やCVD法等の方法で形成できる。 Silicon nitride, high strength, not only a high hardness, it is possible to reduce the residual stress can be formed by a method such as sputtering or CVD. 特に、ECRスパッタ法で作製した窒化珪素が好適である。 In particular, silicon nitride prepared by the ECR sputtering method is preferred. この膜は高硬度で、しかも内部残留応力が小さく、支持膜として適している。 The film is a high hardness, yet small internal residual stress, it is suitable as a support film.
【0020】 [0020]
さらに、支持膜2の厚みは、膜の自立に対して十分な強度を有し、かつ高周波数に対応するため、0.3〜3μmが好ましく、特に、最小値は0.4μm、さらには0.5μmが好適で、最大値は2μm、特にさらには1μmが好ましい。 Further, the thickness of the support film 2 has a sufficient strength against independence film, and in order to respond to high frequencies, preferably 0.3 to 3 m, in particular, the minimum value is 0.4 .mu.m, more 0 .5μm is preferred, the maximum value is 2 [mu] m, in particular more 1μm is preferred.
【0021】 [0021]
中間層3は、酸化チタンより構成される。 The intermediate layer 3 is composed of titanium oxide. 酸化チタンは酸化物であるが、構成元素であるTiは、窒化物である窒化チタンも形成するため、窒化珪素との界面で、Ti−N−Siの結合を作り、高い密着性が得られる。 Titanium oxide is an oxide, the Ti as a constituent element, for titanium nitride is a nitride also formed, at the interface between the silicon nitride, creating a bond of Ti-N-Si, high adhesion is obtained .
【0022】 [0022]
また、酸化チタンは、容易に結晶質となるため、酸化珪素などに見られるような非晶質に特徴的な大きな超音波の吸収によるエネルギーの散逸が小さく、また、音速が大きいため、高周波用途に適している。 Further, titanium oxide, it becomes readily crystalline and amorphous, such as seen in such as silicon oxide low energy dissipation due to absorption characteristic large ultrasound, also because the sound velocity is large, high frequency applications It is suitable for. そして、本発明の共振子に用いられる圧電体5は強誘電体であり、Ti−O結合を含むTi含有の酸化物を骨格とするため、酸化チタンが強誘電体形成時の核となる。 Then, the piezoelectric body 5 used in the resonator of the present invention is a ferroelectric, for the oxide of the Ti-containing containing Ti-O bonds with the backbone, the core at the time of the titanium oxide ferroelectric formation. したがって、圧電体5との結合が強く、大きな密着性を示す。 Thus, strong binding between the piezoelectric 5 shows a great adhesion.
【0023】 [0023]
また、中間層3に酸化チタンを用いることによって、圧電体5からのPb拡散を抑制することができ、膨れの発生を防止するバリア層として効果もある。 Further, by using the titanium oxide in the intermediate layer 3, it is possible to suppress the Pb diffused from the piezoelectric element 5, an effect as a barrier layer to prevent the occurrence of blistering.
【0024】 [0024]
したがって、密着性を高め、窒化珪素上にPbTiO 3膜、PbZrTiO 3膜、(Pb、La)TiO 3膜などのPT系またはPZT系セラミックスからなる圧電体を膨れなしに形成するため、中間層3の厚みは10〜300nm、特に100nm〜200nmが望ましい。 Therefore, improving the adhesion, PbTiO 3 film on the silicon nitride, PbZrTiO 3 film, (Pb, La) in order to form without blister piezoelectric consisting PT system or PZT-based ceramics such as TiO 3 film, the intermediate layer 3 the thickness 10 to 300 nm, especially 100nm~200nm is desirable.
【0025】 [0025]
この中間層3は、Ti膜を形成後、熱酸化により形成するか、またはDCスパッタ法等において酸素を導入するなどの方法により形成される。 The intermediate layer 3, after forming a Ti film is formed by a method such as introduction of oxygen in or formed by thermal oxidation, or DC sputtering.
【0026】 [0026]
第1電極4は、Au層とTi層の積層体で構成され、Tiは酸化チタン上に形成され、AuはTi上に形成されている事が望ましい。 The first electrode 4 is formed of a laminate of Au layer and the Ti layer, Ti is formed on the titanium oxide, Au is desirably formed on Ti. すなわち、Auは体積抵抗値が小さいため、大きな共振子Q値を期待できる。 That, Au because volume resistance value is small, it can be expected large resonator Q value. また、Tiは、中間層である酸化チタンとAu層との密着性を高める効果がある。 Moreover, Ti has an effect of increasing the adhesion between the titanium oxide and the Au layer is an intermediate layer.
【0027】 [0027]
第1電極4は、RFマグネトロンスパッタ法、DCスパッタ法、真空蒸着法等気相成長法により形成される。 The first electrode 4, RF magnetron sputtering, DC sputtering, is formed by vacuum deposition or the like vapor deposition.
【0028】 [0028]
また、第1電極4を構成するAu層の厚みは、共振子Q値および共振周波数を向上するため、100〜300nm、特に100nm〜200nmが望ましい。 The thickness of the Au layer constituting the first electrode 4, in order to improve the resonator Q value and the resonance frequency, 100 to 300 nm, especially 100nm~200nm is desirable. Au電極膜の厚みが100nm未満であると電極膜の持つ抵抗値が大きくなり、共振子のQ値が低下する傾向がある。 The thickness of the Au electrode film resistance increases with a less than 100nm of the electrode film, Q value of the resonator tends to decrease. また、膜厚が300nmより大きくなると、Auの比重が大きいため、質量負荷効果が大きく、共振周波数が低下する傾向がある。 Further, if the film thickness is larger than 300 nm, since the specific gravity of Au is large, large mass load effect, the resonance frequency tends to decrease.
【0029】 [0029]
また、第1電極4を構成するTi層の厚みは、密着性と電気抵抗の大きさから、3〜20nm、特に5〜15nmが望ましい。 The thickness of the Ti layer constituting the first electrode 4, the adhesion and electrical resistance size, 3 to 20 nm, especially 5~15nm is desirable. 3nm未満では、島状に分布し、Tiが酸化チタンを被覆する被覆面積が小さくなり、Ti層として十分に機能しにくくなる。 Is less than 3 nm, distributed in islands, Ti becomes small coverage of coating the titanium oxide it becomes difficult to sufficiently function as Ti layer. またTi層の厚みが20nmより大きいと、アンカー効果が十分に及ばなくなり、Ti層による密着性向上の効果が低下する傾向がある。 Also the thickness of the Ti layer is greater than 20 nm, the anchor effect is not reach enough, the effect of adhesion improvement by Ti layer tends to decrease.
【0030】 [0030]
圧電体5は、圧電性の大きい強誘電体からなる。 Piezoelectric body 5 is made of a piezoelectric large ferroelectric. 強誘電体としては、PZT、PTなどのペロブスカイト構造を持つ酸化物、KSr 2 Nb 515等のタングステンブロンズ構造を持つ酸化物があるが、本発明では圧電性の大きさ、絶縁性および製造上の容易さからPZT系、PT系セラミックスを用いることが重要である。 The ferroelectric, PZT, oxides having a perovskite structure such as PT, but there is an oxide having a tungsten bronze structure such KSr 2 Nb 5 O 15, the present invention in piezoelectricity of magnitude, insulating and production PZT-based ease of above, it is important to use a PT-based ceramics.
【0031】 [0031]
また、圧電体5は、高周波マグネトロンスパッタ法等の気相成膜法やゾルゲル法等の溶液法で形成できる。 The piezoelectric element 5 can be formed by a solution method vapor deposition and sol-gel method such as a high-frequency magnetron sputtering. その厚みは、2μm以下、特に1μm以下が望ましい。 Its thickness is, 2 [mu] m or less, particularly 1μm or less. これは、厚み縦振動を用いるBAWRにおいては、使用周波数である共振周波数が厚みに逆比例し、1GHz以上の周波数で使用するためである。 This is because, in the BAWR using thickness longitudinal vibration, because the resonant frequency is the frequency used inversely proportional to the thickness, use at frequencies above 1 GHz.
【0032】 [0032]
また、共振周波数を大きくするためには圧電体5の厚みを小さくすれば良いが、小さすぎると共振子のQ値が小さくなる傾向があるため、圧電体5は、第1電極4の厚み以上であることが好ましい。 Further, in order to increase the resonance frequency may be reduced thickness of the piezoelectric body 5, but because there is a tendency that the Q value of too small resonator decreases, the piezoelectric body 5, or the thickness of the first electrode 4 it is preferable that.
【0033】 [0033]
上述のように、支持膜に窒化珪素を、中間層に酸化チタンを、圧電体にPZTまたはPT系またはPZT系セラミックスを用いた組合せとすることにより、小型で、高周波に対応した圧電共振子を実現できる。 As described above, the silicon nitride support film, the titanium oxide intermediate layer, by a combination with PZT or PT based or PZT-based ceramic piezoelectric body, a small, a piezoelectric resonator corresponding to a high frequency realizable. また、支持膜と中間層、中間層と圧電体との密着性を高めると共に、上記の組合せにより圧電共振子全体の内部応力を低下できるため、信頼性が高く、製造工程における歩留まりも向上できる。 The support film and the intermediate layer, to increase the adhesion between the intermediate layer and the piezoelectric, since it is possible to reduce the internal stress of the entire piezoelectric resonator by the combination, high reliability, can be improved the yield in the manufacturing process.
【0034】 [0034]
基体1は、シリコンやサファイアなどであり、基体1表面に形成する圧電体5の表面が平滑になるために、十分な平坦度と表面粗さ、例えば5μm以下の平坦度とRa0.1μm以下の表面粗さを保有していれば、特に材料を限定するものではない。 Substrate 1 is silicon or sapphire, to the surface of the piezoelectric element 5 to be formed on the substrate 1 surface is smooth, sufficient flatness and surface roughness, for example, the following flatness and following Ra0.1Myuemu 5 [mu] m if possess surface roughness is not particularly limited and materials.
【0035】 [0035]
また、基体1は、KOH等を用いた化学的エッチング法や、反応性イオンエッチング法等を用いたエッチングにより、振動空間Aが形成されている。 Further, the substrate 1, chemical etching method or using KOH or the like, by etching using a reactive ion etching method or the like, vibration space A is formed. 基体1の振動空間Aとは、振動体8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状の窪みを形成したりすることにより作製される。 The vibration space A of the substrate 1, refers to a space for not transmit vibration of the vibrating body 8 to the base body 1, or a through hole is formed in the substrate 1, the depression of the concave part forming the support film 2 of the substrate 1 It is manufactured by or form.
【0036】 [0036]
第2電極7は、最後に形成することができるため、材料および製造方法に特に制限をするものではないが、低抵抗の点でAlまたはAuが望ましい。 The second electrode 7, it is possible to finally form, but not particularly restricted to the materials and production method, Al or Au is preferable in terms of low resistance. 特に、重量を考慮するとAlが最も好適である。 In particular, Al is most preferred in consideration of the weight.
【0037】 [0037]
第2電極7は、高周波マグネトロンスパッタ法等の気相成膜法などにより形成できる。 The second electrode 7 may be formed by a vapor deposition method such as RF magnetron sputtering. また、その厚みは周波数への影響を小さくし、導電性を確保するために、20〜300nmの範囲とすることが望ましい。 Further, the thickness thereof to reduce the effect on the frequency, in order to ensure the conductivity, it is preferable in the range of 20 to 300 nm. 特に、電気抵抗と質量負荷効果を考慮すると、50〜200nmが望ましい。 In particular, considering the electric resistance and mass loading effect, 50 to 200 nm is desirable.
【0038】 [0038]
なお、圧電体5との密着性を向上するために、5〜50nm、特に10〜30nmの厚みで、Tiなどの薄膜を圧電体5と第2電極7との間に形成しても差し支えない。 In order to improve the adhesion between the piezoelectric 5, 5 to 50 nm, particularly a thickness of 10 to 30 nm, even when forming a thin film such as Ti between the piezoelectric element 5 and the second electrode 7 no problem .
【0039】 [0039]
以上のように構成された本発明の圧電共振子では、中間層として酸化チタンを用いることにより、剥離や膨れの問題を生じること無く共振子やフィルタを形成できる。 Or more piezoelectric resonators of the present invention is constructed as described, the use of titanium oxide as the intermediate layer can be formed without resonators and filters to cause peeling and blistering problems. これにより、強度、音響特性に優れた窒化珪素膜を支持体とし、圧電性の大きなPb系ペロブスカイト材料を用いてQ値を高くできる。 Thereby, strength, superior silicon nitride film in the acoustic characteristics as a support, can increase the Q value by using a piezoelectric big Pb-based perovskite material. したがって、製品の不良が少なく、信頼性が高く、高周波に対応した小型の圧電共振子の実現が可能となる。 Therefore, less defective products, high reliability, it is possible to realize a small piezoelectric resonator corresponding to a high frequency.
【0040】 [0040]
図2は本発明の他の例を示すものであり、基体11上に支持膜12が形成され、この支持膜12の上面に、中間層13が形成され、この中間層13の上面に、第1電極14、第1圧電体15a、圧電体の分極用に中間電極16、第2圧電体15bおよび第2電極17が順次設けられている。 FIG. 2 shows another example of the present invention, the support film 12 is formed on the substrate 11, the upper surface of the support film 12, the intermediate layer 13 is formed on the upper surface of the intermediate layer 13, the 1 electrode 14, the first piezoelectric 15a, an intermediate electrode 16, the second piezoelectric 15b and the second electrode 17 are sequentially provided for the polarization of the piezoelectric body.
【0041】 [0041]
また、第1電極14および第2電極17が圧電体15aおよび15bを挟持して振動体18が形成されている。 The first electrode 14 and the second electrode 17 is vibrating body 18 by sandwiching the piezoelectric body 15a and 15b are formed. また、支持膜12の振動体18形成面の反対側には、振動空間Aが設けられている。 Further, on the opposite side of the vibrating body 18 forming surface of the supporting film 12, the vibration space A is provided.
【0042】 [0042]
さらに、圧電体15aおよび15bは、強誘電体であることが重要である。 Furthermore, the piezoelectric 15a and 15b, it is important that the ferroelectric. したがって、圧電体が強誘電体の場合、分極軸の向きは分極用電極を用いて容易に逆向きにできるため、分極方向の異なる圧電体を積層させることにより、各圧電体に半波長の定在波を固定させることができる。 Therefore, if the piezoelectric element is a ferroelectric, since the orientation of the polarization axis can be easily reversed with a polarizing electrode, by laminating direction of polarization different piezoelectric body of the half-wave to the piezoelectric element constant it is possible to fix the stationary wave. 例えば、圧電体15aおよび15bは、図2に示した矢印のように、互いに逆向きの分極方向を有しており、これにより、圧電体が同じ厚みでも、分極して逆向きにすることによって、さらに高い周波数を実現できる。 For example, the piezoelectric 15a and 15b, as indicated by the arrow shown in FIG. 2, has a polarization direction opposite to each other, thereby, even in the same thickness piezoelectric by reversed polarized , it is possible to realize a higher frequency.
【0043】 [0043]
なお、中間電極16は、付着強度の点でAl、PtまたはAuが望ましい。 The intermediate electrode 16, Al in terms of adhesion strength, Pt or Au is preferable. 特に、圧電体膜形成の容易さの点で、PtまたはAuが好ましい。 In particular, in terms of ease of piezoelectric film forming, Pt or Au is preferable. また、中間電極16の厚みは、共振周波数への影響を小さくするとともに、導電性を確保するために、10〜300nmの範囲とすることが望ましい。 The thickness of the intermediate electrode 16 serves to reduce the influence of the resonance frequency, in order to ensure the conductivity, it is preferable in the range of 10 to 300 nm. また、電気抵抗と質量負荷効果を考慮すると、特に50〜150nmが望ましい。 In consideration of electric resistance and mass loading effect, especially 50~150nm is desirable.
【0044】 [0044]
なお、電極材料と圧電体材料との密着性を向上するために、5〜50nm、特に5〜30nmの厚みで、Tiなどの中間層を電極材料と圧電材料との間に形成しても差し支えない。 Incidentally, harm to improve the adhesion between the electrode material and the piezoelectric material, 5 to 50 nm, in particular a thickness of 5 to 30 nm, even when an intermediate layer such as Ti between the electrode material and the piezoelectric material Absent.
【0045】 [0045]
【実施例】 【Example】
実施例1 Example 1
図1に示す圧電共振子を作製した。 To produce a piezoelectric resonator shown in Fig. まず、減圧CVD法により厚み100μmの窒化珪素膜(以後SN膜という)を両面に形成したSi基板の一方の表面に、ECRスパッタ法によりSN膜またはRFスパッタ法により酸化珪素を作製し、支持膜とした。 First, on one surface of the Si substrate a silicon nitride film having a thickness of 100 [mu] m (hereinafter referred to SN film) was formed on both surfaces by low pressure CVD, silicon oxide was prepared by SN film or RF sputtering by ECR sputtering, the support film and the. 支持膜2の厚みを表1に示した。 The thickness of the support film 2 shown in Table 1.
【0046】 [0046]
次に、DCスパッタ法により、支持膜上に中間層3としてTi層を150℃で形成した。 Then, by a DC sputtering method, a Ti layer as an intermediate layer 3 was formed at 0.99 ° C. on a supporting film. 700℃に加熱した炉中に投入し、10分間大気中酸化処理を施し、180nmの厚みの酸化チタン層を形成した。 It was placed in a furnace heated to 700 ° C., subjected to atmospheric oxidation for 10 minutes to form a titanium oxide layer of 180nm thickness. 酸化チタン層の厚みは、Ti層の厚みにより制御した。 The thickness of the titanium oxide layer was controlled by the thickness of the Ti layer. 酸化チタン層の厚みは、Ti層厚みの約2倍であった。 The thickness of the titanium oxide layer was about 2 times the Ti layer thickness.
【0047】 [0047]
また、一部の試料では、酸化チタンの代わりに酸化珪素(SiO 2 )を形成した。 Also, in some samples, to form a silicon oxide (SiO 2) in place of titanium oxide. すなわち、RFマグネトロンスパッタ法により、SiO 2ターゲットを用いて作製した。 That is, the RF magnetron sputtering was prepared using a SiO 2 target. 作製条件は、5%の酸素を含有したArガスをスパッタガスとして導入し、RFパワー300W、100℃で成膜した。 Preparation conditions, the Ar gas containing 5% of oxygen introduced as sputtering gas, was deposited by RF power 300 W, 100 ° C.. 中間層3の厚みを表1に示した。 The thickness of the intermediate layer 3 shown in Table 1.
【0048】 [0048]
さらに、酸化チタンまたは酸化珪素上にRFマグネトロンスパッタ法により300℃で第1電極としてTi層を形成し、続いてその上にAu層を成膜した。 Further, the Ti layer is formed as the first electrode at 300 ° C. by RF magnetron sputtering on the titanium oxide or silicon oxide, followed by depositing an Au layer thereon. それぞれ、RFパワーは300Wと100Wであった。 Each, RF power was 300W and 100W. 各層の厚みを表1に示した。 The thickness of each layer shown in Table 1.
【0049】 [0049]
次に、フォトリソグラフ法と化学的エッチング法により、Au層との電極のパターン加工を行った。 Next, by photolithography and chemical etching, a pattern was processed electrode of Au layer. Au層のエッチングはシアン化カリウム溶液を用いた。 Etching the Au layer using potassium cyanide solution. エッチングは室温で行った。 Etching was carried out at room temperature. エッチング時間は約25秒である。 Etching time is about 25 seconds. なお、Ti層は、その上に形成する圧電体形成時に酸化され、絶縁体となるため、エッチング加工は行わない。 Incidentally, Ti layer is oxidized during the piezoelectric body forming formed thereon, since the insulator, etching is not performed.
【0050】 [0050]
そして、Auをパターン加工した基板上にZnO膜またはPb系ペロブスカイト膜からなる圧電体5を形成した。 Then, to form the piezoelectric body 5 made of a ZnO film or a Pb-based perovskite film on a substrate is patterned with Au. まず、ZnO膜は、ZnO焼結体をターゲットとし、RFスパッタ法により作製した。 First, ZnO film, a ZnO sintered body as the target was prepared by RF sputtering. また、Pb系ペロブスカイト膜をゾルゲル法により成膜した。 In addition, it was deposited by a sol-gel method Pb-based perovskite film.
【0051】 [0051]
Pb系ペロブスカイトとしてPZTと(Pb,La)TiO 3 (PLT)を作製した。 PZT and (Pb, La) as Pb-based perovskite was prepared TiO 3 and (PLT). まず、1M濃度の前駆体溶液を作製した。 First, to prepare a precursor solution of 1M concentration. 組成比は、PZTではPb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47、PLTではPb:La:Ti=0.90:0.10:1.0である。 Composition ratio, the PZT Pb: Zr: Ti = 1.10: 0.53: 0.47, the PLT Pb: La: Ti = 0.90: 0.10: 1.0.
【0052】 [0052]
アルコール溶媒にアルコキシド原料及び2−メトキシエタノール(CH 3 OC 25 OH)を用いた。 Alkoxide raw material and 2-methoxyethanol (CH 3 OC 2 H 5 OH ) was used in an alcohol solvent. スピンコート法(3000rpm、30秒)により室温、大気中で前駆体溶液を基板に塗布し、360℃(PZT膜)もしくは300℃(PLT)に加熱したホットプレートを用いて熱処理しゲル膜を作製した。 Room temperature by spin coating (3000 rpm, 30 seconds), the precursor solution in air was applied to the substrate, making the heat-treated gel film by using a hot plate heated to 360 ° C. (PZT film) or 300 ° C. (PLT) did. 溶液塗布乾燥・熱処理を6回繰返した後、炉により680℃(PZT)もしくは550℃(PLT)で10分間焼成した。 After repeating the solution coating drying and heat treatment 6 times, and baked 10 minutes at 680 ° C. by a furnace (PZT) or 550 ℃ (PLT). この圧電体5の厚みを表1に示した。 The thickness of the piezoelectric body 5 shown in Table 1.
【0053】 [0053]
さらに、フォトリソグラフ法と化学的エッチング法により、PZT膜のパターン加工を行った。 Further, by photolithography and chemical etching, a pattern was processed PZT film. レジスト加工後、ふっ硝酸を用いて室温でエッチングした。 After the resist process, and etching at room temperature using hydrofluoric nitric acid.
【0054】 [0054]
次に、リフトオフ法によりAl上部電極パターンを形成した。 Next, to form an Al upper electrode pattern by a lift-off method. まず、ネガレジストパターンを形成した。 First, to form a negative resist pattern. 次に、RFスパッタ法によりAl膜を基板温度20℃で成膜した。 Then, Al was formed into films at a substrate temperature of 20 ° C. by RF sputtering. RFパワー、成膜時間は300Wで4分間である。 RF power, the film forming time of 4 minutes at 300 W. 次に、アセトン中に浸漬し、レジスト溶解により、Alパターンを形成した。 Then immersed in acetone, the dissolved resist, to form an Al pattern.
【0055】 [0055]
最後に、パターン形成面と反対の面に減圧CVDで形成した窒化珪素膜をフォトレジスト法とRIEを用いてパターニングし、マスクパターンを形成した。 Finally, a silicon nitride film formed by low pressure CVD on the surface opposite to the pattern surface is patterned by using a photoresist method and RIE, to form a mask pattern. その後、専用治具に試料をセットし、43重量%濃度のKOH溶液に投入し、KOH溶液によりSi基板をエッチング除去し、基体に振動空間を形成した。 Thereafter, the sample was set in a dedicated jig, was put into KOH solution 43 wt% concentration, the Si substrate was removed by etching using KOH solution to form a vibrating space to the substrate. 条件は、68℃の溶液を用いて17時間エッチングである。 Conditions are 17 hours etched using a solution of 68 ° C..
【0056】 [0056]
以上の工程により、裏面のSiを除去し振動空間を設けたパターニングされた振動体からなる図1の共振子を作製した。 Thus the process to produce a resonator of Figure 1 comprising a back surface of the Si removed vibrates patterned provided vibration space body.
【0057】 [0057]
作製した共振子は2つの共振子が直列接続した構造と等価である。 Fabricated resonator is equivalent to a structure in which two resonators are connected in series. フィルタ構成を踏まえて、配線による電気的接続構造の共振子とした。 Based on the filter construction and the resonators of the electrically connecting structure by wiring.
【0058】 [0058]
得られた共振子は、まず、強誘電体薄膜評価装置(Radient Technologies Inc.製RT6000S)により分極電界履歴曲線を測定し、電気的絶縁性とショートの評価を行った。 The resulting resonator, first, a polarization electric field hysteresis curve measured by a ferroelectric thin film evaluation device (Radient Technologies Inc. Ltd. RT6000S), were evaluated electrical insulation and short. そして、Al上部電極とAu下部電極間に10Vの直流電圧を10秒間印加し、圧電体の分極処理を行った。 Then, a DC voltage of 10V was applied for 10 seconds between the Al upper electrode and the Au lower electrode, it was subjected to polarization treatment of the piezoelectric body.
【0059】 [0059]
圧電共振特性は、共振子構造についてSパラメータS 11の測定により行った。 The piezoelectric resonance characteristic, for resonator structure was carried out by measuring the S-parameters S 11. RFネットワークアナライザHP8719C(ヒューレットパッカード社製)と、RFマイクロプローブを用い、S 11の周波数特性を測定する事により、共振周波数と反共振周波数を評価した。 The RF network analyzer HP8719C (manufactured by Hewlett Packard), using the RF microprobe, by measuring the frequency characteristics of S 11, were evaluated resonant frequency and the antiresonant frequency. また、共振周波数と反共振周波数との差を、周波数幅とした。 Further, the difference between the resonant frequency and the antiresonant frequency, and the frequency width.
【0060】 [0060]
不良率は3インチ基板に200個のパターンを形成し、その内から任意の20個を選び出し、パターンの絶縁不良率を測定した。 Failure rate forms a 200 pattern 3 inch substrates, picked any 20 from them, and measure the insulation failure rate pattern. また、共振周波数は絶縁性が確保できた共振子の中で任意の5個について測定し、平均値を算出した。 Further, the resonance frequency is determined for any of the five in the resonator can be secured insulating property, and the mean value was calculated. 表1に結果を示す。 The results are shown in Table 1.
【0061】 [0061]
【表1】 [Table 1]
【0062】 [0062]
本発明の試料No. Samples of the present invention No. 1〜23は、不良率が35%以下、共振周波数1.46GHz以上、周波数幅が55MHz以上であった。 1-23, 35% failure rate or less, the resonant frequency 1.46GHz or more, the frequency width is equal to or greater than 55 MHz.
【0063】 [0063]
一方、中間層として酸化チタンを形成していない本発明の範囲外の試料No. On the other hand, the sample outside the scope of the present invention which does not form a titanium oxide as an intermediate layer No. 24は、剥離が発生した。 24, the release has occurred. また、支持膜に窒化珪素の代わりに酸化珪素を形成した本発明の範囲外の試料No. Also, samples outside the scope of the present invention the formation of the silicon oxide instead of silicon nitride to a support film No. 25は、不良率が35%、共振周波数2.45GHzであったが、周波数幅が40MHzと小さかった。 25, 35% failure rate, was the 2.45GHz resonance frequency, frequency width was as small as 40 MHz.
【0064】 [0064]
さらに、中間層として酸化珪素を設けた本発明の範囲外の試料No. Additionally, samples outside the scope of the present invention in which a silicon oxide as an intermediate layer No. 26は、不良率が55%、共振周波数2.71GHz、周波数幅が30MHzであった。 26, 55 percent failure rate, resonance frequency 2.71GHz, the frequency width was 30 MHz. また、圧電体に酸化亜鉛を用いた本発明の範囲外の試料No. Further, the sample outside the scope of the present invention using zinc oxide piezoelectric No. 27は、不良率が5%、共振周波数3.62GHzであったが、周波数幅が50MHzと小さかった。 27, failure rate of 5%, was the resonance frequency 3.62GHz, the frequency width is as small as 50 MHz.
実施例2 Example 2
図2に示す圧電共振子を作製した。 To produce a piezoelectric resonator shown in Fig. 第1圧電体15aの成膜までは実施例1と同様である。 Until formation of the first piezoelectric element 15a is the same as in Example 1.
【0065】 [0065]
次に、DCスパッタ法により、10nm膜厚のTi層、続いてAu中間電極16を成膜した。 Then, by a DC sputtering method, Ti layer of 10nm thickness, followed by deposition of the Au intermediate electrode 16. 基板温度250℃、DCパワーは1kWである。 A substrate temperature of 250 ° C., DC power is 1 kW. フォトリソグラフ法と化学的エッチング法により、Au中間電極16のパターン加工を行った。 By photolithography and chemical etching, a pattern was processed Au intermediate electrode 16.
【0066】 [0066]
その上に、第2圧電体15bをゾルゲル法により形成した。 Thereon, and the second piezoelectric element 15b is formed by a sol-gel method. 形成条件は、第1圧電体15aと同様である。 Forming conditions are the same as the first piezoelectric 15a.
【0067】 [0067]
次に、第2圧電体15bのパターン加工を、実施例1と同様の条件で行った。 Then, the patterning of the second piezoelectric element 15b, was performed under the same conditions as in Example 1. 第2圧電体15bのエッチングを行った後、第1圧電体15aのエッチングを行った。 After the etching of the second piezoelectric element 15b, it was etched first piezoelectric 15a. なお、中間電極と下部電極が同じAuであるため、レジストにより中間電極パターンを保護してエッチングを行った。 Since the intermediate electrode and the lower electrode are the same Au, etching is performed to protect the intermediate electrode pattern by resist. 条件は第2圧電体15bと同様である。 Conditions are the same as the second piezoelectric 15b.
【0068】 [0068]
次に、第2電極17の形成以降は、実施例1と同様にして行い、圧電共振子を作製した。 Then, after the formation of the second electrode 17 is carried out in the same way as in Example 1 to prepare a piezoelectric resonator. 分極処理および評価方法は、実施例1と同様に行った。 Polarization processing and evaluation method were performed in the same manner as in Example 1. 結果を表2に示す。 The results are shown in Table 2.
【0069】 [0069]
【表2】 [Table 2]
【0070】 [0070]
本発明の試料No. Samples of the present invention No. 28〜39は、不良率が35%以下、共振周波数2.65GHz以上、周波数幅が65MHz以上であった。 28 to 39 is 35% failure rate or less, the resonant frequency 2.65GHz or more, the frequency width is equal to or greater than 65 MHz.
【0071】 [0071]
【発明の効果】 【Effect of the invention】
本発明の圧電共振子は支持膜に窒化珪素を用い、中間層に酸化チタン、圧電体にPbZrTiO 3系セラミックスまたはPbTiO 3系セラミックスを用いることにより、支持膜上に中間層を介して圧電体を形成しても密着性が良好となり、その結果、製品不良率が低下し、信頼性の高い、高周波に対応した圧電共振子が実現できる。 The piezoelectric resonator of the present invention uses a silicon nitride supporting layer, a titanium oxide in the intermediate layer, by using a PbZrTiO 3 based ceramics or PbTiO 3 based ceramic in the piezoelectric, the piezoelectric body via an intermediate layer on the support film formed adhesiveness becomes excellent also, as a result, the product defect rate is reduced, reliable piezoelectric resonator corresponding to a high frequency can be realized.
【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
【図1】本発明の圧電共振子を示すもので、(a)は圧電共振子の一部の断面図、(b)は圧電共振子の斜視図である。 [1] shows a piezoelectric resonator of the present invention, (a) is partial sectional view of a piezoelectric resonator, (b) is a perspective view of a piezoelectric resonator.
【図2】本発明の他の圧電共振子の断面図である。 2 is a cross-sectional view of another piezoelectric resonator of the present invention.
【図3】従来の圧電共振子の断面図である。 3 is a cross-sectional view of a conventional piezoelectric resonator.
【図4】従来の他の圧電共振子の断面図である。 4 is a cross-sectional view of another conventional piezoelectric resonator.
【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS
1・・・基体2・・・支持膜3・・・中間層4・・・第1電極5・・・圧電体7・・・第2電極8・・・振動体A・・・振動空間 1 ... base 2 ... support film 3 ... intermediate layer 4 ... first electrode 5 ... piezoelectric 7 ... second electrode 8 ... vibrator A ... vibration space

Claims (4)

  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してなる支持膜と、該支持膜上に形成された中間層と、該中間層上に形成され、かつ一対の電極で挟持された圧電体からなる振動体とを具備するとともに、前記振動体の前記圧電体が、前記振動体の前記支持膜側に形成された前記電極のまわりの前記中間層上にも形成されており 、前記支持膜が窒化珪素、前記中間層が酸化チタン、前記圧電体がPbZrTiO 系セラミックスまたはPbTiO 系セラミックスからなることを特徴とする圧電共振子。 A substrate having a vibration space is formed on the substrate surface, wherein the support film formed by coating the vibration space, an intermediate layer formed on the support film, is formed on the intermediate layer, and a pair of electrodes as well as and a vibrator consisting sandwiched piezoelectric element in the piezoelectric body of the vibrating body, also formed on the intermediate layer around said support layer formed in said side electrode of the vibrator and has the support film is a silicon nitride, said intermediate layer is titanium oxide, the piezoelectric resonator the piezoelectric body is characterized in that it consists of PbZrTiO 3 based ceramic or PbTiO 3 based ceramics.
  2. 前記振動体の前記支持膜側に形成された前記電極が、 前記支持膜上に形成されたTi層と該Ti層上に形成されたAu層との積層体であることを特徴とする請求項1 記載の圧電共振子。 Claims wherein said support layer formed in said side electrode of the vibrator, wherein the is a laminate of a support Ti layer formed on the film and the Au layer formed on the Ti layer the piezoelectric resonator according to 1.
  3. 前記中間層の厚みが1 0〜300nmであることを特徴とする請求項1または2 記載の圧電共振子。 The piezoelectric resonator according to claim 1 or 2, wherein the thickness of said intermediate layer is 1 from 0 to 300 nm.
  4. 前記支持膜の厚みが0.3〜3μmであることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載の圧電共振子。 The piezoelectric resonator according to any one of claims 1 to 3 the thickness of the support film is characterized in that it is a 0.3 to 3 m.
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