JP5020612B2

JP5020612B2 - 圧電薄膜デバイス

Info

Publication number: JP5020612B2
Application number: JP2006330450A
Authority: JP
Inventors: 知義多井; 省一郎山口; 正宏坂井; 幸久大杉
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: JP2008147833A

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。

図２３は、従来の圧電薄膜共振子８の概略構成を示す断面図である。図２３に示すように、圧電薄膜共振子８は、圧電体薄膜８６の下面及び上面にそれぞれ下面電極８５及び上面電極８７を形成し、下面電極８５、圧電体薄膜８６及び上面電極８７を積層した振動積層体８４を基板８２及び下地膜８３で支持した構造を有している。圧電薄膜共振子８においては、振動の励振を阻害しないようにするため、自由振動領域８１の下方にキャビティ８０が形成されている（特許文献１）。

特開２００２−３４４２７９号公報

しかし、従来の圧電薄膜共振子では、自由振動領域の外縁における振動積層体の支持に起因する副共振が問題となっていた。

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、圧電薄膜共振子の副共振を抑制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、前記圧電体薄膜を挟んで対向する電極と、自由振動領域の外縁において前記圧電体薄膜及び前記電極を積層した振動積層体の下面に接することにより前記振動積層体を前記自由振動領域の外縁において支持し、前記圧電体薄膜とは別に設けられた支持体とを備え、前記圧電体薄膜を薄肉化し前記支持体による支持による厚み縦振動又は厚みすべり振動の共振周波数の低下を緩和する掘り込みが前記自由振動領域の外縁であって前記自由振動領域に接する掘り込み領域に形成され、前記掘り込みにより前記自由振動領域における前記圧電体薄膜の膜厚より前記掘り込み領域における前記圧電体薄膜の膜厚が薄肉化されている。

請求項２の発明は、前記掘り込みが前記自由振動領域を囲む請求項１に記載の圧電薄膜デバイスである。

請求項３の発明は、前記掘り込みの深さが前記圧電体薄膜の膜厚の１％以上２０％以下である請求項１又は請求項２に記載の圧電薄膜デバイスである。

請求項４の発明は、前記掘り込みの幅が１μｍ以上１０μｍ以下である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスである。

本発明によれば、支持体に支持されている自由振動領域の外縁の共振周波数の極端な低下を緩和することができ、圧電薄膜共振子の副共振を抑制することができる。

請求項２ないし請求項４の発明によれば、圧電薄膜共振子の副共振を特に効果的に抑制することができる。

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のみ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、一般的に言えば、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。ここで、圧電薄膜共振子とは、支持なくしては自重に耐え得ない薄膜に圧電的に励振されるバルク弾性波による電気的な応答を利用した共振子である。

＜１第１実施形態＞
図１、図２は、本発明の第１実施形態に係る圧電薄膜共振子１の概略構成を示す模式図であり、図１は、圧電薄膜共振子１の斜視図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩの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には、説明の便宜上、左右方向をＸ軸方向、前後方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系が定義されている。圧電薄膜共振子１は、圧電体薄膜１５に励振される厚み縦振動による電気的な応答を利用した共振子となっている。

図１、図２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（１６１，１６２）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を支持基板１１にあらかじめ接着している。

＜１．１支持基板１１＞
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を接着層１２を介して支持する役割を有している。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の材料及び厚さは、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。

＜１．２接着層１２＞
接着層１２は、圧電薄膜共振子１の製造途上で圧電体基板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。

＜１．３キャビティ形成膜１３＞
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。圧電薄膜共振子１では、下面電極１４、圧電体薄膜１５及び上面電極１６を積層した振動積層体１８の固定領域９１２の下面にキャビティ形成膜１３が形成され、支持基板１１、接着層１２及びキャビティ形成膜１３を積層した支持体１７が自由振動領域９１１の外縁において振動積層体１８を支持している。このようなスペーサしての役割を有するキャビティ形成膜１３により、振動積層体１８の自由振動領域９１１が支持基板１１と干渉しなくなり、自由振動領域９１１における振動の励振が阻害されることがなくなる。

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。

＜１．４圧電体薄膜１５＞
圧電体薄膜１５は、圧電体基板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、圧電体基板を固定砥粒に接触させて削る研削及び圧電体基板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。なお、圧電体基板の除去加工のより具体的な方法については、後述する実施例において説明する。

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。

この圧電体薄膜１５には、圧電体薄膜１５の上面と下面との間を貫通し、固定領域９１２において圧電体薄膜１５を挟んで対向する下面電極１４と上面電極１６２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１６２とを短絡して直流的に導通させている。

圧電体薄膜１５の下面には、圧電体薄膜１５を薄肉化する掘り込み（溝）１５６が形成されている。掘り込み１５６は、自由振動領域９１１の外縁に自由振動領域９１１の外郭に沿って形成されている。堀り込み１５６は、エッチング等により表面粗さや膜厚変動を超えて圧電体薄膜１５を薄肉化することにより形成する。掘り込み１５６は、キャビティ形成膜１３で埋められているが、キャビティ形成膜１３で埋めることなく空洞としてもよい。掘り込み１５６は、圧電体薄膜１５を薄肉化することにより、支持体１７に支持されている固定領域９１２の共振周波数の極端な低下を緩和し、圧電薄膜共振子１の副共振を抑制する役割を果たしている。換言すれば、掘り込み１５６は、自由振動領域９１１と固定領域９１２との境界が、横方向に伝播するバルク弾性波を全反射する固定端に近い状態となることを防止し、圧電薄膜共振子１の副共振を抑制する役割を果たしている。

係る役割を適切に果たすためには、掘り込み１５６の深さは、圧電体薄膜１５の膜厚の１％以上２０％以下であることが望ましく、１０％以上１５％以下がさらに望ましい。また、掘り込み１５６の幅は、１μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。掘り込み１５６の深さ及び幅がこの範囲内であれば、副共振を特に効果的に抑制することができるからである。固定領域９１２に形成される掘り込み１５６による副共振の抑制には、自由振動領域９１１を加工する必要が無いので、自由振動領域９１１の機械的損傷に起因する主共振の共振特性の劣化を引き起こすことがないという利点もある。この点は、自由振動領域９１１の膜厚が薄く機械的損傷の影響を受けやすい圧電薄膜共振子１では、特に重要である。

圧電体薄膜１５を上方から見た図３の平面図に示すように、掘り込み１５６は、自由振動領域９１１を囲むように形成することが最も望ましいが、途切れている部分があっても圧電薄膜共振子１の副共振を抑制する役割を果たすことは可能である。特に、自由振動領域９１１の形状が、長辺の長さが短辺の長さの２倍以上となる細長の矩形である場合には、自由振動領域９１１の長辺に沿ってのみ掘り込み１５６を形成しても、副共振の抑制効果をある程度得ることができる。

＜１．５下面電極１４及び上面電極１６＞
下面電極１４及び上面電極１６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。

下面電極１４及び上面電極１６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を形成してもよい。

図１、図２の他、下面電極１４及び上面電極１６を上方から見たパターンを示す図４の平面図に示すように、上面電極１６のうち、上面電極１６１は、対向領域９１３において、圧電体薄膜１５を挟んで下面電極１４と対向している。上面電極１６１は、対向領域９１３から左方へ引き出され、引き出された部分は、上面電極１６１へ励振信号を給電する給電部となっている。一方、下面電極１４は、対向領域９１３から右方へ引き出され、引き出された部分は、下面電極１４へ励振信号を給電する給電部となっている。

また、上面電極１６のうち、上面電極１６２は、固定領域９１２において、圧電体薄膜１５を挟んで下面電極１４の給電部と対向している。下面電極１４と上面電極１６２とはバイアホール１５５によって導通させられているので、圧電薄膜共振子１では、外部に露出した上面電極１６２を介して下面電極１４への励振信号の給電が行われる。

圧電薄膜共振子１では、圧電体薄膜１５の自由振動領域９１１の下面及び上面に下面電極１４及び上面電極１６が形成されているのみならず、圧電体薄膜１５の掘り込み１５６が形成された領域（以下では、「掘り込み領域」という）９１４の下面及び上面にも下面電極１４及び上面電極１６が形成されており、対向領域９１３が自由振動領域９１１を超えて固定領域９１２まで拡がっている。

圧電薄膜共振子１は、下面電極１６１の給電部と上面電極１６２との間に励振信号を印加することにより、厚み縦振動を自由振動領域９１１に閉じ込めた周波数上昇型のエネルギー閉じ込め共振子として用いることができる。なお、厚み縦振動に代えて、厚みすべり振動を利用することも許容される。

＜２第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係る圧電薄膜共振子２の概略構成を示す模式図であり、圧電薄膜共振子２の断面を示す断面図となっている。圧電薄膜共振子２も、圧電薄膜共振子１と同様に、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（２６１，２６２）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の支持基板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（２６１，２６２）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（１６１，１６２）に相当し、圧電薄膜共振子１と同様に構成することができる。

圧電薄膜共振子２でも、圧電薄膜共振子１と同様に、下面電極２４、圧電体薄膜２５及び上面電極２６を積層した振動積層体２８の固定領域９２２の下面にキャビティ形成膜２３が形成され、支持基板２１、接着層２２及びキャビティ形成膜２３を積層した支持体２７が固定領域９２２において振動積層体２８を支持している。さらに、圧電体薄膜２５の下面にも、圧電体薄膜１５と同様に、圧電体薄膜２５を薄肉化する掘り込み２５６が形成されている。掘り込み２５６も、自由振動領域９２１の外縁に自由振動領域９２１の外郭に沿って形成されている。

上面電極２６のうち、上面電極２６１は、対向領域９２３において、圧電体薄膜２５を挟んで下面電極２４と対向している。上面電極２６１は、対向領域９２３から左方へ引き出され、引き出された部分は、上面電極２６１へ励振信号を給電する給電部となっている。一方、下面電極２４は、対向領域９２３から右方へ引き出され、引き出された部分は、下面電極２４へ励振信号を給電する給電部となっている。

また、上面電極２６のうち、上面電極２６２は、固定領域９２２において、圧電体薄膜２５を挟んで下面電極２４の給電部と対向している。下面電極２４と上面電極２６２とはバイアホール２５５によって導通させられているので、圧電薄膜共振子２では、外部に露出した上面電極２６２を介して下面電極２４への励振信号の給電が行われる。

ただし、圧電薄膜共振子２では、圧電薄膜共振子１と異なり、圧電体薄膜２５の自由振動領域９２１の一部（全部でもよい）の下面及び上面に下面電極２４及び上面電極２６が形成されているが、圧電体薄膜２５の掘り込み領域９２４の下面及び上面には下面電極２４及び上面電極２６が形成されておらず、対向領域９２３が自由振動領域９２１に収まっている。

このような圧電薄膜共振子２も、上面電極２６１の給電部と上面電極２６２との間に励振信号を印加することにより、厚み縦振動を自由振動領域９２１に閉じ込めた周波数上昇型のエネルギー閉じ込め共振子として用いることができる。掘り込み２５６も、圧電体薄膜２５を薄肉化することにより、支持体２７に支持されている固定領域９２２の共振周波数の極端な低下を緩和し、圧電薄膜共振子２の副共振を抑制する役割を果たしている。

＜３第３実施形態＞
図６は、本発明の第３実施形態に係る圧電薄膜共振子３の概略構成を示す模式図であり、圧電薄膜共振子３の断面を示す断面図となっている。圧電薄膜共振子３も、圧電薄膜共振子１と同様に、支持基板３１の上に、接着層３２、キャビティ形成膜３３、下面電極３４、圧電体薄膜３５及び上面電極３６（３６１，３６２）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３の支持基板３１、接着層３２、キャビティ形成膜３３、下面電極３４、圧電体薄膜３５及び上面電極３６（３６１，３６２）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（１６１，１６２）に相当し、圧電薄膜共振子１と同様に構成することができる。

圧電薄膜共振子３でも、圧電薄膜共振子１と同様に、下面電極３４、圧電体薄膜３５及び上面電極３６を積層した振動積層体３８の固定領域９３２の下面にキャビティ形成膜３３が形成され、支持基板３１、接着層３２及びキャビティ形成膜３３を積層した支持体３７が固定領域９３２において振動積層体３８を支持している。

上面電極３６のうち、上面電極３６１は、対向領域９３３において、圧電体薄膜３５を挟んで下面電極３４と対向している。上面電極３６１は、対向領域９３３から左方へ引き出され、引き出された部分は、上面電極３６１へ励振信号を給電する給電部となっている。一方、下面電極３４は、対向領域９３３から右方へ引き出され、引き出された部分は、下面電極３４へ励振信号を給電する給電部となっている。

また、上面電極３６のうち、上面電極３６２は、固定領域９３２において、圧電体薄膜３５を挟んで下面電極３４の給電部と対向している。下面電極３４と上面電極３６２とはバイアホール３５５によって導通させられているので、圧電薄膜共振子３では、外部に露出した上面電極３６２を介して下面電極３４への励振信号の給電が行われる。

ただし、圧電薄膜共振子３では、圧電薄膜共振子１と異なり、圧電体薄膜３５の上面に、圧電体薄膜３５を薄肉化する掘り込み３５６が形成されている。掘り込み３５６は、自由振動領域９３１の外縁に自由振動領域９３１の外郭に沿って形成されている。掘り込み３５６は、キャビティ形成膜３３で埋められておらず、空洞となっている。

このような圧電薄膜共振子３も、上面電極３６１の給電部と上面電極３６２との間に励振信号を印加することにより、厚み縦振動を自由振動領域９３１に閉じ込めた周波数上昇型のエネルギー閉じ込め共振子として用いることができる。掘り込み３５６も、圧電体薄膜３５を薄肉化することにより、支持体３７に支持されている固定領域９３２の共振周波数の極端な低下を緩和し、圧電薄膜共振子３の副共振を抑制する役割を果たしている。

＜４第４実施形態＞
図７は、本発明の第４実施形態に係る圧電薄膜共振子４の概略構成を示す模式図であり、圧電薄膜共振子４の断面を示す断面図となっている。圧電薄膜共振子４も、圧電薄膜共振子１と同様に、支持基板４１の上に、接着層４２、キャビティ形成膜４３、下面電極４４、圧電体薄膜４５及び上面電極４６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４の支持基板４１、接着層４２、キャビティ形成膜４３、下面電極４４、圧電体薄膜４５及び上面電極４６（４６１，４６２）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（１６１，１６２）に相当し、圧電薄膜共振子１と同様に構成することができる。

圧電薄膜共振子４でも、圧電薄膜共振子１と同様に、下面電極４４、圧電体薄膜４５及び上面電極４６を積層した振動積層体４８の固定領域９４２の下面にキャビティ形成膜４３が形成され、支持基板４１、接着層４２及びキャビティ形成膜４３を積層した支持体４７が固定領域９４２において振動積層体４８を支持している。さらに、圧電体薄膜４５の下面にも、圧電体薄膜１５と同様に、圧電体薄膜４５を薄肉化する掘り込み４５６が形成されている。圧電体薄膜４５の下面に形成された掘り込み４５６も、自由振動領域９４２の外縁に自由振動領域９４１の外郭に沿って形成されている。

上面電極４６のうち、上面電極４６１は、対向領域９４３において、圧電体薄膜４５を挟んで下面電極４４と対向している。上面電極４６１は、対向領域９４３から左方へ引き出され、引き出された部分は、上面電極４６１へ励振信号を給電する給電部となっている。一方、下面電極４４は、対向領域９４３から右方へ引き出され、引き出された部分は、下面電極４４へ励振信号を給電する給電部となっている。

また、上面電極４６のうち、上面電極４６２は、固定領域９４２において、圧電体薄膜４５を挟んで下面電極４４の給電部と対向している。下面電極４４と上面電極４６２とはバイアホール４５５によって導通させられているので、圧電薄膜共振子４では、外部に露出した上面電極４６２を介して下面電極４４への励振信号の給電が行われる。

ただし、圧電薄膜共振子４では、圧電薄膜共振子４と異なり、圧電体薄膜４５の上面にも、圧電体薄膜４５を薄肉化する掘り込み４５６が形成されている。圧電体薄膜４５の上面に形成された掘り込み４５６も、自由振動領域９４２の外縁に自由振動領域９４１の外郭に沿って形成されている。

このような圧電薄膜共振子４も、上面電極４６１の給電部と上面電極４６２との間に励振信号を印加することにより、厚み縦振動を自由振動領域に閉じ込めた周波数上昇型のエネルギー閉じ込め共振子として用いることができる。掘り込み４５６も、圧電体薄膜４５を薄肉化することにより、支持体４７に支持されている固定領域９４２の共振周波数の極端な低下を緩和し、圧電薄膜共振子４の副共振を抑制する役割を果たしている。

＜５第５実施形態＞
図８は、本発明の第５実施形態に係る圧電薄膜共振子５の概略構成を示す模式図であり、圧電薄膜共振子５の断面を示す断面図となっている。圧電薄膜共振子５も、圧電薄膜共振子１と同様に、支持基板５１の上に、接着層５２、キャビティ形成膜５３、下面電極５４、圧電体薄膜５５及び上面電極５６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５の支持基板５１、接着層５２、キャビティ形成膜５３、下面電極５４、圧電体薄膜５５及び上面電極２６（５６１，５６２）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（１６１，１６２）に相当し、圧電薄膜共振子１と同様に構成することができる。

圧電薄膜共振子５でも、圧電薄膜共振子１と同様に、下面電極５４、圧電体薄膜５５及び上面電極５６を積層した振動積層体５８の固定領域９５２の下面にキャビティ形成膜５３が形成され、支持基板５１、接着層５２及びキャビティ形成膜５３を積層した支持体５７が固定領域９５２において振動積層体５８を支持している。さらに、圧電体薄膜５５の下面にも、圧電体薄膜１５と同様に、圧電体薄膜５５を薄肉化する掘り込み５５６が形成されている。掘り込み５５６も、自由振動領域９５１の外縁に自由振動領域９５１の外郭に沿って形成されている。

上面電極５６のうち、上面電極５６１は、対向領域９５３において、圧電体薄膜５５を挟んで下面電極５４と対向している。上面電極５６１は、対向領域９５３から左方へ引き出され、引き出された部分は、上面電極５６１へ励振信号を給電する給電部となっている。一方、下面電極５４は、対向領域９５３から右方へ引き出され、引き出された部分は、下面電極５４へ励振信号を給電する給電部となっている。

また、上面電極５６のうち、上面電極５６２は、固定領域９５２において、圧電体薄膜５５を挟んで下面電極５４の給電部と対向している。下面電極５４と上面電極５６２とはバイアホール５５５によって導通させられているので、圧電薄膜共振子５では、外部に露出した上面電極５６２を介して下面電極５４への励振信号の給電が行われる。

ただし、圧電薄膜共振子１では、自由振動領域９１１と掘り込み領域９１４とが接しているのに対して、圧電薄膜共振子５では、自由振動領域９５１と掘り込み領域９５４とが約５μｍ離れている。なお、自由振動領域９５１と掘り込み領域９５４との距離Ｌは、必ずしも「約５μｍ」である必要はなく、１０μｍ以下であればよい。

このような圧電薄膜共振子５も、上面電極５６１の給電部と上面電極５６２との間に励振信号を印加することにより、厚み縦振動を自由振動領域９５１に閉じ込めた周波数上昇型のエネルギー閉じ込め共振子として用いることができる。掘り込み５５６も、圧電体薄膜５５を薄肉化することにより、支持体５７に支持されている固定領域９５２の共振周波数の極端な低下を緩和し、圧電薄膜共振子５の副共振を抑制する役割を果たしている。

＜６その他＞
第１実施形態から第５実施形態で説明した掘り込み１５６，２５６，３５６，４５６，５５６の深さ及び幅を一定にすることは必須ではなく、掘り込み１５６，２５６，３５６，４５６，５５６の深さ及び幅が部分的に異なっていてもよい。

以下では、本発明の第１実施形態に係る実施例と本発明の範囲外の比較例とについて説明する。

＜実施例＞
実施例では、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及び上面電極１６を構成する導電材料としてタングステンを用いて圧電薄膜共振子１を製造した。

実施例に係る圧電薄膜共振子１は、図９の断面図に示すように、製造原価の低減のために、多数の圧電薄膜共振子１を一体化したマザー基板１ｍを作製した後に、マザー基板１ｍ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製造されている。なお、図９には、３個の圧電薄膜共振子１がマザー基板１ｍに含まれる例が示されているが、マザー基板１ｍに含まれる圧電薄膜共振子１の数は、４個以上であってもよく、典型的に言えば、マザー基板１ｍには、数１００個〜数１０００個の圧電薄膜共振子１が含まれる。

以下では、便宜上、マザー基板１ｍ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１ｍ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。

続いて、図１０〜図１９の断面図を参照しながら、実施例に係る圧電薄膜共振子１の製造方法を説明する。

圧電薄膜共振子１の製造にあたっては、最初に、厚み０．５ｍｍ、直径３インチのニオブ酸リチウム単結晶の円形ウエハ（４５度カットＹ板）を支持基板１１及び圧電体基板９１６として準備した。

続いて、圧電体基板９１６の下面にクロム膜と金膜とをスパッタリングにより順次成膜し、得られた積層膜を一般的なフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、掘り込み領域９１４のみを露出させたエッチングマスク９１７を圧電体基板９１６の下面に形成した（図１０）。しかる後に、圧電体基板９１６を温度６０℃の１：１バッファードフッ酸水溶液でエッチングすることにより、深さ０．１μｍの掘り込み１５６が形成された圧電体基板９１６を得た（図１１）。

さらに続いて、圧電体基板９１６の下面に膜厚１０００オングストロームのタングステン膜をスパッタリングにより成膜し、得られたタングステン膜を一般的なフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、図３に示すパターンを有する下面電極１４が形成された圧電体基板９１６を得た（図１２）。

そして、圧電体基板９１６の下面に膜厚０．５μｍの二酸化ケイ素膜をスパッタリングにより成膜し、得られた二酸化ケイ素膜を一般的なフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、固定領域９１２に成膜された二酸化ケイ素膜を残して、自由振動領域９１１に成膜された二酸化ケイ素膜を除去した(図１３)。これにより、圧電体基板９１６にキャビティ形成膜１３が形成されたことになる。

ここで、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（図１４）、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９１６の下面とを張り合わせた。そして、支持基板１１及び圧電体基板９１６に圧力を印加してプレス圧着を行い、接着層１２の膜厚を０．５μｍとした。しかる後に、張り合わせた支持基板１１及び圧電体基板９１６を２００℃の環境下で１時間放置してエポキシ接着剤を硬化させ、支持基板１１と圧電体基板９１６とを接着した（図１５）。これにより、圧電体基板９１６の自由振動領域９１１の下方に、深さ０．５μｍのキャビティが形成された。

支持基板１１と圧電体基板９１６との接着が完了した後、圧電体基板９１６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９１６の上面を固定砥粒の研削機で研削加工し、圧電体基板９１６の膜厚を５０μｍまで薄肉化した。さらに、圧電体基板９１６の上面をダイヤモンド砥粒で研磨加工し、圧電体基板９１６の膜厚を２μｍまで薄肉化した。最後に、ダイヤモンド砥粒による研磨加工で圧電体基板９１６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９１６の仕上げ研磨を行い、膜厚１μｍの圧電体薄膜１５を得た（図１６）。

次に、圧電体薄膜１５の上面を有機溶媒で洗浄し、圧電体薄膜１５の上面にクロム膜と金膜とをスパッタリングにより順次成膜し、得られた積層膜を一般的なフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、バイアホール１５５を形成すべき領域のみを露出させたエッチングマスク９１８を形成した（図１７）。しかる後に、圧電体薄膜１５を温度６０℃の１：１バッファードフッ酸水溶液でエッチングすることによりバイアホール１５５を形成し、下面電極１４を露出させた（図１８）。

そして、圧電体薄膜１５の上面に膜厚１０００オングストロームのタングステン膜をスパッタリングにより成膜し、得られたタングステン膜を一般的なフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、図３に示すパターンを有する上面電極１６を得た（図１９）。このとき、バイアホール１５５の内側面にもタングステン膜が形成されるので、下面電極１４と上面電極１６２との導通が確保される。

このようにして得られた圧電薄膜共振子１の周波数（ｆ）−インピーダンス（Ｚ）特性を測定して、厚み縦振動モードの共振特性を評価したところ、図２１に示す波形が観察された。

＜比較例＞
図２０は、比較例に係る、掘り込み１５６が形成されていない圧電薄膜共振子７の概略構成を示す模式図であり、圧電薄膜共振子７の断面を示す断面図となっている。掘り込み１５６の形成を行わない点を除いて実施例に係る圧電薄膜共振子１と同様の製造手順で製造した圧電薄膜共振子７の周波数（ｆ）−インピーダンス（Ｚ）特性を測定して、厚み縦振動モードの共振特性を評価したところ、図２２に示す波形が観察された。

＜実施例と比較例との対比＞
図２１と図２２との対比から明らかなように、掘り込み１５６を形成することにより、主共振の低周波側に重畳する副共振を抑制することができ、スプリアスの影響が小さい圧電薄膜共振子１を実現できている。このような副共振の抑制効果は、第２実施形態〜第５実施形態に係る圧電薄膜共振子２〜５でも得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る圧電薄膜共振子１の概略構成を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る圧電薄膜共振子１の概略構成を示す断面図である。圧電体薄膜１５を上方から見た平面図である。下面電極１４及び上面電極１６を上方から見たパターンを示す平面図である。本発明の第２実施形態に係る圧電薄膜共振子２の概略構成を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係る圧電薄膜共振子３の概略構成を示す断面図である。本発明の第４実施形態に係る圧電薄膜共振子４の概略構成を示す断面図である。本発明の第５実施形態に係る圧電薄膜共振子５の概略構成を示す断面図である。マザー基板１ｍを切断して個々の圧電薄膜共振子１へ分離する様子を示す断面図である。圧電体基板９１６にエッチングマスク９１７を形成した状態を示す断面図である。圧電体基板９１６に掘り込み１５６を形成した状態を示す断面図である。圧電体基板９１６に下面電極１４を形成した状態を示す断面図である。圧電体基板９１６にキャビティ形成膜１３を形成した状態を示す断面図である。支持基板１１に接着層１２を塗布した状態を示す断面図である。支持基板１１と圧電体基板９１６とを接着した状態を示す断面図である。圧電体基板９１６を薄肉化して圧電体薄膜１５とした状態を示す断面図である。圧電体薄膜１５にエッチングマスク９１８を形成した状態を示す断面図である。圧電体薄膜１５にバイアホール１５５を形成した状態を示す断面図である。圧電体薄膜１５に上面電極１６を形成した状態を示す断面図である。比較例に係る圧電薄膜共振子８の概略構成を示す断面図である。実施例に係る圧電薄膜共振子１の周波数−インピーダンス特性を示す図である。比較例に係る圧電薄膜共振子７の周波数−インピーダンス特性を示す図である。従来の圧電薄膜共振子８の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１，２，３，４，５圧電薄膜共振子
１１，２１，３１，４１，５１支持基板
１２，２２，３２，４２，５２接着層
１３，２３，３３，４３，５３キャビティ形成膜
１４，２４，３４，４４，５４下面電極
１５，２５，３５，４５，５５圧電体薄膜
１６，２６，３６，４６，５６上面電極
１７，２７，３７，４７，５７支持体
１８，２８，３８，４８，５８振動積層体
１５６，２５６，３５６，４５６，５５６掘り込み
９１１，９２１，９３１，９４１，９５１自由振動領域

Claims

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、
前記圧電体薄膜を挟んで対向する電極と、
自由振動領域の外縁において前記圧電体薄膜及び前記電極を積層した振動積層体の下面に接することにより前記振動積層体を前記自由振動領域の外縁において支持し、前記圧電体薄膜とは別に設けられた支持体と、
を備え、
前記圧電体薄膜を薄肉化し前記支持体による支持による厚み縦振動又は厚みすべり振動の共振周波数の低下を緩和する掘り込みが前記自由振動領域の外縁であって前記自由振動領域に接する掘り込み領域に形成され、前記掘り込みにより前記自由振動領域における前記圧電体薄膜の膜厚より前記掘り込み領域における前記圧電体薄膜の膜厚が薄肉化されている圧電薄膜デバイス。
前記掘り込みが前記自由振動領域を囲む請求項１に記載の圧電薄膜デバイス。
前記掘り込みの深さが前記圧電体薄膜の膜厚の１％以上２０％以下である請求項１又は請求項２に記載の圧電薄膜デバイス。
前記掘り込みの幅が１μｍ以上１０μｍ以下である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電薄膜デバイス。