JP4947059B2 - 圧電薄膜共振子 - Google Patents
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Description
この発明は、輪郭振動や屈曲振動などのエネルギ閉じ込めでない振動モードを利用する圧電薄膜共振子に関するものである。
従来、エアギャップを有する圧電薄膜共振子として特許文献１が開示されている。この圧電薄膜共振子は図１に示すように、基板１と、この基板１との間に空隙層５が形成されるように設けられた金属膜２と、この金属膜２の上側に空隙層５に対応した領域を含んで形成された圧電薄膜３と、この圧電薄膜３を挟み、金属膜に対して少なくとも一部が対向するように設けられた上部電極４とを備えたものである。
ところが、このように輪郭振動や屈曲振動など、エネルギ閉じ込めでない振動モード（以下、「非エネルギ閉じ込め振動モード」という。）を用いた圧電振動子は支持部に振動が漏洩して特性が劣化する。そのため、この振動漏洩を防ぐことが設計上の重要課題である。
しかし、特許文献１に示されているものは振動部のほぼ全体が基板と接触することにより強度を保つ構造となっているため、輪郭振動や屈曲振動など、非エネルギ閉じ込め振動モードの励振は困難である。一方、振動部と基板の接続部を細くして振動漏洩を防ぐ構造が特許文献２に開示されている。
図２は特許文献２の振動漏洩改善構造の例を示している。図２において圧電共振子１１１は、圧電セラミック板１１２を加工し、電極を形成してなる。圧電セラミック板１１２は例えばレーザによるエッチングや機械加工により、この図２に示すように加工され、開口１１３ａを有する矩形枠状の支持都１１３と、共振部を構成する圧電セラミック板部分２１４が一体化されている。
特開昭６１−２１８２１４号公報
特開平７−１４７５２６号公報
ところが、図１に示した構造に図２のような振動漏洩構造を適用すると、基板と空隙層端部の交点の幅が細くなることにより、その部分に大きな膜応力が集中してしまう。しかもこの基板と空隙層端部の交点は、空隙層形成用の犠牲層上に形成される圧電薄膜と基板上に形成される圧電薄膜との結晶成長の不連続部分であり、膜中に欠陥が発生し易い部分でもある。このように元々強度が弱くなりやすい部分の幅を細くすることになるので、基板と空隙層端部の交点で破断が発生し易くなってしまう。
そこで、この発明の目的は、輪郭振動や屈曲振動などの非エネルギ閉じ込め振動モードを用いた圧電振動子の支持部による振動漏洩の問題を解消し、且つ基板と空隙部の交点での破断の問題も回避した圧電薄膜共振子を提供することにある。
前記課題を解決するためにこの発明は次のように構成する。
（１）基板と、一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動部と、基板と振動部とにそれぞれ接続するとともに、基板と振動部との間に空隙部を設けたまま、基板と空隙部端部との交点から振動部の端まで延伸する支持梁とを備え、支持梁の幅は、振動部との接続部では振動部の幅（Ｗ１）より細く、基板との接続部では振動部との接続部の幅（Ｗ２）よりも太く、振動部の振動モードは非エネルギ閉じ込め振動モードとする。
（１）基板と、一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動部と、基板と振動部とにそれぞれ接続するとともに、基板と振動部との間に空隙部を設けたまま、基板と空隙部端部との交点から振動部の端まで延伸する支持梁とを備え、支持梁の幅は、振動部との接続部では振動部の幅（Ｗ１）より細く、基板との接続部では振動部との接続部の幅（Ｗ２）よりも太く、振動部の振動モードは非エネルギ閉じ込め振動モードとする。
（２）前記支持梁は、その幅が、前記振動部との接続部から前記基板との接続部の近傍まで略一定に保たれる直線部を備えたものとする。
（３）前記支持梁は、その幅が、前記振動部との接続部から前記基板との接続部に向かって次第に広がる曲線部を備えたものとする。
（４）前記広がり部は、前記振動部との接続部から前記基板との接続部に向かって略直線状に広がる形状とする。
（５）前記広がり部は、前記振動部との接続部から前記基板との接続部に向かって曲線状に広がる形状とする。
（６）前記非エネルギ閉じ込め振動モードは輪郭振動モードまたは屈曲振動モードとする。
この発明によれば、次のような効果を奏する。
（１）基板と振動部との間に空隙部を設ける支持梁の幅が、振動部との接続部では振動部の幅（Ｗ１）より細く、基板との接続部では振動部との接続部の幅（Ｗ２）よりも太く構成したことにより、振動部は支持梁の幅の狭い部分で支持されるので振動漏洩が抑制され、しかも基板と空隙部の交点は支持梁の幅が太い部分で支持梁が基板で支持されるので支持梁の破断の問題も回避できる。
（１）基板と振動部との間に空隙部を設ける支持梁の幅が、振動部との接続部では振動部の幅（Ｗ１）より細く、基板との接続部では振動部との接続部の幅（Ｗ２）よりも太く構成したことにより、振動部は支持梁の幅の狭い部分で支持されるので振動漏洩が抑制され、しかも基板と空隙部の交点は支持梁の幅が太い部分で支持梁が基板で支持されるので支持梁の破断の問題も回避できる。
（２）支持梁を、その幅が振動部との接続部から基板との接続部の近傍まで略一定に保つ形状とすることにより、振動部からの振動漏れを最も効果的に抑制することが可能となり、共振特性が良好となる。
（３）支持梁を、その幅が振動部との接続部から基板との接続部に向かって次第に広がる形状とすることにより、振動部近傍の細い部分により、振動漏れを抑制しつつ、前述した支持梁破断の起こりやすい部分では支持梁を太く構成できるので特性と素子強度を両立させた共振子を得ることができる。
（４）支持梁を、その幅が振動部との接続部から基板との接続部に向かって略直線状に広がる形状とすることにより、支持梁と基板との接続部の角部が鈍角になるため、当該部位への応力集中を軽減でき、破断防止効果を高めることができる。
（５）支持梁は、その幅が接続部から基板との接続部に向かって曲線状に広がる形状とすることにより、支持梁を角が無い形状に形成できるので、特定部位への応力集中が回避でき、破断防止効果を高めることができる。
（６）この発明は振動部の振動モードが非エネルギ閉じ込め振動モード、特に輪郭振動モードまたは屈曲振動モードであるとき、大きな効果が得られる。
１０−窪み
１１−基板
１２−薄膜層
１２ａ，１２ｃ−梁部（支持梁）
１２ｂ−振動部
１３−犠牲層
１４−犠牲層除去部（空隙層）
１６−誘電体膜
１７ａ，１７ｂ−電極
１８−圧電薄膜
２１−熱酸化膜
２２−犠牲層
１０１〜１０４−圧電薄膜共振子
Ｐｃ−交点
１１−基板
１２−薄膜層
１２ａ，１２ｃ−梁部（支持梁）
１２ｂ−振動部
１３−犠牲層
１４−犠牲層除去部（空隙層）
１６−誘電体膜
１７ａ，１７ｂ−電極
１８−圧電薄膜
２１−熱酸化膜
２２−犠牲層
１０１〜１０４−圧電薄膜共振子
Ｐｃ−交点
《第１の実施形態》
図３は第１の実施形態に係る圧電薄膜共振子１０１の構成を示す図である。図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は側面図である。基板１１の上部には薄膜層１２（後述する誘電体膜、電極、および圧電薄膜を含む層）を形成している。この薄膜層１２の一部が振動部１２ｂおよびそれを支持する梁部１２ａ，１２ｃを備えている。この梁部が本発明に係る「支持梁」に相当する。梁部１２ａ，１２ｃおよび振動部１２ｂの下部には犠牲層除去部１４を形成している。この犠牲層除去部が本発明に係る「空隙層」に相当する。
図３は第１の実施形態に係る圧電薄膜共振子１０１の構成を示す図である。図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は側面図である。基板１１の上部には薄膜層１２（後述する誘電体膜、電極、および圧電薄膜を含む層）を形成している。この薄膜層１２の一部が振動部１２ｂおよびそれを支持する梁部１２ａ，１２ｃを備えている。この梁部が本発明に係る「支持梁」に相当する。梁部１２ａ，１２ｃおよび振動部１２ｂの下部には犠牲層除去部１４を形成している。この犠牲層除去部が本発明に係る「空隙層」に相当する。
図３（Ａ）の平面図では振動部１２ｂは幅Ｗ１の矩形状をなし、梁部１２ａ，１２ｃは振動部１２ｂとの接続部の幅がＷ２、基板１１との接続部の幅がＷ３である凸字形状を成している。また、この梁部１２ａ，１２ｃは、振動部１２ｂとの接続部から基板１１との接続部の近傍まで幅がＷ２でほぼ一定に保たれる形状としている。
図３（Ｂ）に示した振動部１２ｂおよび梁部１２ａ，１２ｃの下部の空隙層１４は、先ず犠牲層を基板１１の上面に形成し、薄膜層１２をパターン化しその後に犠牲層を除去することによって形成する。
図４はその犠牲層の形成状態を示す側面図である。このように犠牲層１３の基板１１との交点Ｐｃで薄膜層１２の結晶成長が不連続となって膜中に欠陥が生じやすくなる。しかし、この交点Ｐｃ部分での梁部１２ａ，１２ｃの幅Ｗ３は振動部１２ｂとの接続部の幅Ｗ２より太いため十分な強度が確保できる。しかも梁部１２ａ，１２ｃと振動部１２ｂとの接続部の幅Ｗ２は振動部１２ｂの幅Ｗ１より十分に細く形成しているので梁部での振動漏洩の問題が解消できる。
この振動部１２ｂとの接続部の幅Ｗ２は振動部１２ｂの幅Ｗ１の１／３〜１／１０の範囲（望ましくは１／５〜１／８の範囲）で寸法を定めることによって良好な振動漏洩低減効果が得られ、且つ振動部１２ｂとの接続部に必要な強度が得られる。
図５は図３に示した圧電薄膜共振子の薄膜層１２の膜構造を示す断面図である。基板１１の上面には誘電体膜１６、下部電極１７ａ、圧電薄膜１８、上部電極１７ｂ、付加膜１９がその順に積層されている。下部電極１７ａおよび上部電極１７ｂは圧電薄膜１８に電圧を印加する役割を持ち、下部電極１７ａと上部電極１７ｂとで挟まれる圧電薄膜１８の部分が振動部１２ｂとして作用する。付加膜１９は振動部以外の領域に設けていて、振動部の補強、温度特性の補償、パッシベーション、共振周波数の調整用の膜として作用する。
なお、図５では膜構造を示すために厚み方向の寸法を誇張して描いている。
なお、図５では膜構造を示すために厚み方向の寸法を誇張して描いている。
前記薄膜層１２の構成は次のとおりである。
基板１１には、Ｓｉのような半導体基板またはガラスのような絶縁体基板を用いる。
圧電薄膜１８には酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3），水晶などの圧電材料を用いる。下部電極１７ａおよび上部電極１７ｂは圧電薄膜１８に電圧を印加する役割を持ち、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉ、エリンバー、インバーなど導電性を持つ材料を用いる。また、誘電体膜１６と下部電極１７ａとの間、および圧電薄膜１８と上部電極１７ｂとの間の密着性を高めるために、Ｔｉ，Ｃｒ，ＮｉＣｒなどの密着層を下部電極１７ａ、および上部電極１７ｂの下にそれぞれ形成してもよい。付加膜にはＳｉＯ2，ＳｉＮなど誘電体材料、Ａｌ，Ｃｕ，エリンバー，インバーのような導電性材料、ＺｎＯ、ＡｌＮのような圧電材料、Ｓｉのような半導体材料を用いる。
上記各薄膜はすべてＰＶＤ法またはＣＶＤ法によって成膜する。
基板１１には、Ｓｉのような半導体基板またはガラスのような絶縁体基板を用いる。
圧電薄膜１８には酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3），水晶などの圧電材料を用いる。下部電極１７ａおよび上部電極１７ｂは圧電薄膜１８に電圧を印加する役割を持ち、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉ、エリンバー、インバーなど導電性を持つ材料を用いる。また、誘電体膜１６と下部電極１７ａとの間、および圧電薄膜１８と上部電極１７ｂとの間の密着性を高めるために、Ｔｉ，Ｃｒ，ＮｉＣｒなどの密着層を下部電極１７ａ、および上部電極１７ｂの下にそれぞれ形成してもよい。付加膜にはＳｉＯ2，ＳｉＮなど誘電体材料、Ａｌ，Ｃｕ，エリンバー，インバーのような導電性材料、ＺｎＯ、ＡｌＮのような圧電材料、Ｓｉのような半導体材料を用いる。
上記各薄膜はすべてＰＶＤ法またはＣＶＤ法によって成膜する。
図５に示した圧電薄膜共振子の各部の構成および寸法は次のとおりである。
・膜構成
誘電体膜１６ ：ＳｉＯ2（２．６μｍ）
下部電極１７ａ：Ｐｔ（０．１μｍ）
圧電薄膜１８ ：ＡｌＮ（１．６μｍ）
上部電極１７ｂ：Ｐｔ（０．１μｍ）
付加膜１９ ：ＳｉＯ2（２．６μｍ）
・振動部
幅Ｗ１：１９０μｍ
長さ：３００μｍ の矩形
・梁部
振動部１２ｂとの接続部幅Ｗ２：約３０μｍ
基板１１との接続部幅Ｗ３：約２００μｍ
上記構成により、共振周波数約１６ＭＨｚの、輪郭振動モードの一つである拡がり振動モードの圧電薄膜共振子が得られる。
・膜構成
誘電体膜１６ ：ＳｉＯ2（２．６μｍ）
下部電極１７ａ：Ｐｔ（０．１μｍ）
圧電薄膜１８ ：ＡｌＮ（１．６μｍ）
上部電極１７ｂ：Ｐｔ（０．１μｍ）
付加膜１９ ：ＳｉＯ2（２．６μｍ）
・振動部
幅Ｗ１：１９０μｍ
長さ：３００μｍ の矩形
・梁部
振動部１２ｂとの接続部幅Ｗ２：約３０μｍ
基板１１との接続部幅Ｗ３：約２００μｍ
上記構成により、共振周波数約１６ＭＨｚの、輪郭振動モードの一つである拡がり振動モードの圧電薄膜共振子が得られる。
《第２の実施形態》
図６は第２の実施形態に係る圧電薄膜共振子１０２の構造を示す図であり、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は側面図である。図３に示した例では梁部１２ａ，１２ｃと振動部１２ｂとの接続部の幅を梁部１２ａ，１２ｃと基板との接続部の近傍までほぼ一定に保つように構成したが、この図６に示す例では梁部１２ａ，１２ｃの振動部１２ｂとの接続部での幅をＷ１とし、梁部１２ａ，１２ｃと基板１１との接続部での幅をＷ３とし、振動部１２ｂとの接続部から基板１１との接続部に向かってほぼ直線状に広がる形状としている。
図６は第２の実施形態に係る圧電薄膜共振子１０２の構造を示す図であり、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は側面図である。図３に示した例では梁部１２ａ，１２ｃと振動部１２ｂとの接続部の幅を梁部１２ａ，１２ｃと基板との接続部の近傍までほぼ一定に保つように構成したが、この図６に示す例では梁部１２ａ，１２ｃの振動部１２ｂとの接続部での幅をＷ１とし、梁部１２ａ，１２ｃと基板１１との接続部での幅をＷ３とし、振動部１２ｂとの接続部から基板１１との接続部に向かってほぼ直線状に広がる形状としている。
このような梁部１２ａ，１２ｃの形状としたことにより、梁部と基板との接続部の角部が鈍角となるため、当該部位への応力集中を低減でき、高い破断防止効果が得られる。
《第３の実施形態》
図７は第３の実施形態に係る圧電薄膜共振子１０３の構造を示す図であり、図７（Ａ）は平面図、図７（Ｂ）は側面図である。図６に示した例では梁部１２ａ，１２ｃの幅を振動部１２ｂとの接続部から基板１１との接続部に向かってほぼ直線状に広がる形状としたが、この図７に示す例では梁部１２ａ，１２ｃの幅を振動部１２ｂとの接続部から基板１１との接続部に向かってイチョウ葉形状の曲線状に広がる形状としている。
図７は第３の実施形態に係る圧電薄膜共振子１０３の構造を示す図であり、図７（Ａ）は平面図、図７（Ｂ）は側面図である。図６に示した例では梁部１２ａ，１２ｃの幅を振動部１２ｂとの接続部から基板１１との接続部に向かってほぼ直線状に広がる形状としたが、この図７に示す例では梁部１２ａ，１２ｃの幅を振動部１２ｂとの接続部から基板１１との接続部に向かってイチョウ葉形状の曲線状に広がる形状としている。
このような梁部１２ａ，１２ｃの形状としたことにより、梁部は角の無い形状になるので、特定部位への応力集中が回避でき、高い破断防止効果が得られる。
《第４の実施形態》
図８は第４の実施形態に係る圧電薄膜共振子の構造を示す側面図である。ここでは側面図のみを表しているが、この圧電薄膜共振子１０４の梁部の平面形状は第１〜第３の実施形態で示したいずれのパターンをも採ることができる。すなわち平面図として表せば図３，図６，図７のいずれかと同様になる。
図８は第４の実施形態に係る圧電薄膜共振子の構造を示す側面図である。ここでは側面図のみを表しているが、この圧電薄膜共振子１０４の梁部の平面形状は第１〜第３の実施形態で示したいずれのパターンをも採ることができる。すなわち平面図として表せば図３，図６，図７のいずれかと同様になる。
第１〜第３の実施形態では基板１１の上面を平坦にし、薄膜層１２の振動部および梁部をエアーブリッジ状に形成したが、この図８に示す例では、基板１１に犠牲層除去部１４を形成し、基板１１上の薄膜層１２は平坦にしている。
この圧電薄膜共振子の製造工程を図９を参照して説明する。図９は上記薄膜層１２を形成するまでの製造工程を示す断面図である。まず図９（Ａ）のようにシリコン基板１１に窪み１０を形成し、そのシリコン基板１１の表面に熱酸化物の薄膜２１を成長させる。続いて図９（Ｂ）のように熱酸化膜２１の表面にたとえば燐酸シリケートガラス（ＰＳＧ）による犠牲層２２を体積させる。その後、図９（Ｃ）のように犠牲層２２の表面をスラリで研磨し、窪み１０の外側にある犠牲層２２を除去して基板１１表面を平坦化する。その後、図８に示したように誘電体膜、上下の電極膜および圧電薄膜を有する薄膜１２を形成する。そして犠牲層２２を除去することによって、犠牲層除去部１４を空隙層として形成する。
このように基板側に窪みによる犠牲層除去部１４を形成し振動部および梁部が同一平面内にある場合にも第１〜第３の実施形態の場合と同様の効果を奏する。
なお、第１〜第４の実施形態では輪郭振動モードの一つである拡がり振動モードを利用する構成としたが、幅振動モード、長さ振動モード、ラーメモード、エッジモード等、他の輪郭振動モードや音叉振動モード等の屈曲振動モード等、非エネルギ閉じ込め振動モードであれば同様に適用できる。
Claims (6)
- 基板と、一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動部と、前記基板と前記振動部とにそれぞれ接続するとともに、前記基板と前記振動部との間に空隙部を設けたまま、前記基板と前記空隙部端部との交点から前記振動部の端まで延伸する支持梁とを備え、
前記支持梁の幅は、前記振動部との接続部では前記振動部の幅より細く、前記基板との接続部では前記振動部との接続部の幅よりも太く、
前記振動部の振動モードは非エネルギ閉じ込め振動モードである、圧電薄膜共振子。 - 前記支持梁は、その幅が、前記振動部との接続部から前記基板との接続部の近傍まで略一定に保たれる直線部を備えたものである請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記支持梁は、その幅が、前記振動部との接続部から前記基板との接続部に向かって次第に広がる広がり部を備えたものである請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記広がり部は、前記振動部との接続部から前記基板との接続部に向かって略直線状に広がる形状である請求項３に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記広がり部は、前記振動部との接続部から前記基板との接続部に向かって曲線状に広がる形状である請求項３に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記非エネルギ閉じ込め振動モードは輪郭振動モードまたは屈曲振動モードである請求項１〜５のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
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