JP5073329B2

JP5073329B2 - 圧電薄膜デバイス

Info

Publication number: JP5073329B2
Application number: JP2007068932A
Authority: JP
Inventors: 省一郎山口; 幸久大杉; 知義多井; 正宏坂井; 和幸水野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: JP2008042877A

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。

従来、圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ；Film Bulk Acoustic Resonator）は、下面電極、圧電体薄膜、上面電極を支持基板上に順次成膜し、圧電体薄膜を挟んで上面電極及び下面電極が対向する対向領域の下方にキャビティを形成することにより製造されていた（例えば、特許文献１）。

特開２００３−２０４２３９号公報

しかし、従来の圧電薄膜共振子では、対向領域から漏洩した振動エネルギーに起因する副共振の影響を受け、期待しないスプリアスが主共振の共振波形に重畳することがある。

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し、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の特性を向上することを目的とする。

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、前記圧電体薄膜の両主面にそれぞれ形成され、対向領域において前記圧電体薄膜を挟んで対向する電極と、前記圧電体薄膜を支持する支持体とを備え、前記電極は、前記対向領域の中央部よりも単位面積あたりの質量が大きい加重部分を前記対向領域の周縁部に有し、前記圧電体薄膜及び前記電極を積層した積層体は、前記対向領域の中央部よりも単位面積あたりの質量が小さい軽減部分を前記加重部分に沿って前記加重部分より中央部寄りに有する。

さらに、請求項１の発明においては、前記対向領域の平面形状が矩形であり、前記加重部分及び前記軽減部分が、前記対向領域の長辺に沿って配置されており、前記対向領域の短辺に沿っては配置されていない。

請求項２の発明は、前記対向領域が、直交する対称軸について軸対称となっており、前記加重部分及び前記軽減部分も当該対称軸について軸対象となっている請求項１に記載の圧電薄膜デバイスである。

本発明によれば、圧電薄膜共振子の副共振を実用上問題とならない程度まで抑制することができるとともに、主共振のＱ値を大幅に上昇することができるので、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の特性を向上することができる。

さらに、本発明によれば、加重部分が形成する共振子の共振の影響を回避しつつ、副共振の影響を受けにくくすることができる。

請求項２の発明によれば、非対称モードの励振を抑制することができる。

以下では、単独の圧電薄膜共振子を例として、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、以下の実施形態は、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、一般的にいえば、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、支持体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起因する電気的な応答を利用した共振子である。

＜第１実施形態＞
図１〜図３は、本発明の第１実施形態に係る圧電薄膜共振子１の模式図である。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、図３は、図１のIII-III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〜図３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軸方向とする共通のＸＹＺ直交座標系が定義されている。

図１〜図３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体となる支持基板１１にあらかじめ接着している。

○支持基板；
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を介して支持する支持体としての役割を有している。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を介して支持する支持体としての役割も有している。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。

○接着層；
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、圧電体基板と支持基板１１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。

○キャビティ形成膜；
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。キャビティ形成膜１３は、対向領域１８１の外側に形成され、対向領域１８１において圧電体薄膜１５を支持基板１１から離隔させるキャビティ１３５を形成している。このようなスペーサとしての役割を有するキャビティ形成膜１３により、対向領域１８１において圧電体薄膜１５が支持基板１１と干渉しなくなり、対向領域１８１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。

○圧電体薄膜；
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の下面と上面との間を貫通し、対向領域１８１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。

○下面電極及び上面電極；
下面電極１４及び上面電極１６は、それぞれ、圧電体薄膜１５の平坦に研磨された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。ここで、圧電体薄膜１５の下面及び上面が「平坦」であるとは、研磨後に不可避的に残存する表面粗さを超えるような凹凸がない状態をいう。

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４は、下面電極１４のパターンを示す図であり、図５は、上面電極１６のパターンを示す図である。図４及び図５にも、説明の便宜上、図１〜図３と共通のＸＹＺ直交座標系が定義されている。

図５に示すように、上面電極１６１は、対向領域１８１において圧電体薄膜１５を挟んで下面電極１４と対向する駆動部１６１１を有している。上面電極１６１は、対向領域１８１から−Ｘ方向へ引き出され、引き出された部分は、駆動部１６１１へ励振信号を給電する経路となる給電部１６１２となっている。

上面電極１６２は、対向領域１８１の外側において、圧電体薄膜１５を挟んで下面電極１４の給電部１４１２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。

一方、図４に示すように、下面電極１４は、対向領域１８１において圧電体薄膜１５を挟んで上面電極１６１と対向する駆動部１４１１を有している。下面電極１４は、対向領域１８１から＋Ｘ方向へ引き出され、引き出された部分は、駆動部１４１１へ励振信号を給電する経路となる給電部１４１２となっている。

圧電薄膜共振子１では、±Ｘ方向に伸びる帯状の下面電極１４の−Ｘ方向の先端にある駆動部１４１１と、±Ｘ方向に伸びる帯状の上面電極１６の＋Ｘ方向の先端にある駆動部１６１１とを重ね合わせることにより、対向領域１８１に振動を励振することができるようにしている。

なお、図１〜図５には、駆動部１６１１の平面形状すなわち対向領域１８１の平面形状が細長の矩形である場合が示されているが、一般的にいって、駆動部１６１１の平面形状は、細長の２次元形状であることが望ましく、その長手方向の大きさが短手方向の大きさの２倍以上、より望ましくは４倍以上、さらに望ましくは１０倍以上であることが望ましい。

ここで、「長手方向の大きさが短手方向の大きさのｎ（ｎ＝２，４，１０）倍以上の細長の２次元形状」とは、典型的には、長手方向の大きさである長辺の長さＬａが短手方向の大きさである短辺の長さＬｂより長く、アスペクト比Ｌａ／Ｌｂがｎ以上となっている矩形であるが（図６において実線で描かれた図形を参照）、長手方向の大きさである長軸の長さＬａが短手方向の大きさである短軸の長さＬｂより長く、アスペクト比Ｌａ／Ｌｂがｎ以上となっている楕円形であってもよい（図７において実線で描かれた図形を参照）。

より一般的にいえば、「長手方向の大きさが短手方向の大きさのｎ倍以上の細長の２次元形状」とは、最も面積が小さい外接矩形（図７〜図１０において点線で描かれた図形を参照）の長辺の長さＬａが短辺の長さＬｂのｎ倍以上となる２次元形状であり、当該２次元形状が直交する対称軸Ｓａ及びＳｂの両方について軸対称となっている場合、一の対称軸Ｓａの方向の大きさＬａが他の対称軸Ｓｂの方向の大きさＬｂのｎ倍以上となっている２次元形状である。

したがって、駆動部１６１１の形状は、図８において実線で描かれた長丸形であってもよいし、図９において実線で描かれた頂点を丸めた矩形であってもよいし、図１０において実線で描かれた頂点が斜めに落とされた矩形であってもよい。

圧電薄膜共振子１では、下面電極１４及び上面電極１６２は、略均一な膜厚の導電体薄膜となっているが、上面電極１６１は、駆動部１６１１の周縁部の額縁形の領域１８２と駆動部１６１１に隣接する給電部１６１２の矩形の領域１８３とに駆動部１６１１の中央部よりも膜厚が厚い加重部分１６１５を有するとともに、加重部分１６１５に沿う領域１８４に駆動部１６１１の中央部よりも膜厚が薄い軽減部分１６１６を有している。ここで、「駆動部１６１１の周縁部」とは、駆動部１６１１の外郭に接する一定の範囲を占める部分であり、「駆動部１６１１の中央部」とは、駆動部１６１１の外郭から離れ、駆動部１６１１の周縁部に囲まれた一定の範囲を占める部分である。ここで、「膜厚が厚い」又は「膜厚が薄い」とは、不可避的な変動を超えて膜厚が厚く又は薄くなっていることをいう。

図５において左下がりのハッチングを付した加重部分１６１５は、膜厚が略均一となっている駆動部１６１１の中央部よりも単位面積あたりの質量が大きくなっており、領域１８２，１８３において共振周波数を低下させる役割を果たしている。圧電薄膜共振子１では、この共振周波数の低下により、対向領域１８１に励振された振動のエネルギーが対向領域１８１から漏洩することを防止し、圧電体薄膜１５の輪郭形状に依存する副共振を抑制している。

図５において右下がりのハッチングを付した軽減部分１６１６は、膜厚が略均一となっている駆動部１６１１の中央部よりも単位面積あたりの質量が小さくなっており、駆動部１６１１の中央部から外郭へ至る途上で共振周波数をいったん上昇させる役割を果たしている。

このように、対向領域１８１の外側において圧電体薄膜１５を支持基板１１に固定し、キャビティ１３５を駆動部１６１１より大きくした上で、駆動部１６１１の周縁部に加重部分１６１５を配置し、加重部分１６１５よりも中央部寄りに軽減部分１６１６を配置すると、主共振の共振周波数と反共振周波数との間に重畳する副共振や主共振の共振周波数よりも低周波数側に重畳する副共振を実用上問題とならない程度まで抑制することができるとともに、主共振のＱ値を大幅に上昇することができる。

なお、加重部分１６１５が配置される領域１８２の幅ｗ１８２は、駆動部１６１１の幅ｗ１８１の１％以上３０％以下とすることが望ましく、５％以上２０％以下とすることがさらに望ましい。これは、幅ｗ１８２がこの範囲を外れると、振動のエネルギーの閉じ込め効果が低下するからである。ここで、駆動部１６１１の幅ｗ１８１とは、駆動部１６１１の形状が矩形である場合には、短辺の長さであり、駆動部１６１１の形状が楕円形である場合には、短軸の長さである。

また、軽減部分１６１６が配置される領域１８４の幅ｗ１８４は、駆動部１６１１の幅ｗ１８１の１％以上３０％以下とすることが望ましく、５％以上１５％以下とすることがさらに望ましい。また、駆動部１６１１の外郭と軽減部分１６１６の外側との距離は、駆動部１６１１の幅ｗ１８１の５％以上３０％以下とすることが望ましく、１０％以上２０％以下とすることがさらに望ましい。但し、軽減部分１６１６の幅ｗ１８４および軽減部分１６１６の位置は、加重部分１６１５の幅ｗ１８２により、望ましい幅ｗ１８１および位置は変化する場合がある。

加重部分１６１５及び軽減部分１６１６は、例えば、略均一な膜厚の導電体薄膜の上に、軽減部分１６１６が配置される領域１８４以外に導電体薄膜を重ねて成膜し、加重部分１６１５が配置される領域１８２に導電体薄膜をさらに重ねて成膜することにより形成することができる。又は、加重部分１６１５及び軽減部分１６１６は、略均一な膜厚の導電体薄膜の、領域１８２以外を薄肉化し、領域１８４をさらに薄肉化することにより形成することができる。又は、加重部分１６１５及び軽減部分１６１６は、略均一な膜厚の導電体薄膜の上に、領域１８２に導電体薄膜を重ねて成膜し、領域１８４を薄肉化することにより形成することができる。もちろん、これら以外の方法により、加重部分１６１５及び軽減部分１６１６を形成してもよい。

下面電極１４及び上面電極１６の膜厚は、構成する導電材料に応じて決定すべきであるが、導電材料としてタングステンを選択した場合、７００オングストローム以上とすることが望まれる。なぜならば、タングステン膜の膜厚が７００オングストロームを下回ると、その電気抵抗が上昇し、圧電薄膜共振子１の共振抵抗が顕著に上昇するからである。また、加重部分１６１５が配置される領域１８２と駆動部１６１１の中央部との膜厚の差は、典型的には、５００オングストローム程度とすればよく、軽減部分１６１６が配置される領域と駆動部１６１１の中央部との膜厚の差は、典型的には、２００Åオングストローム程度とすればよい。

低コストに有利なウェットのフォトリソグラフィプロセスを用いて軽減部分１６１５及び加重部分１６１６の両方を有する上面電極１６を形成しようとすると、選択的なエッチングを行う必要があるので、複数の導電材料で上面電極１６を構成することが必要になる。例えば、軽減部分１６１５となるべき部分を薄肉化したタンタル膜の上に、加重部分８７１Ｗとなるべき部分を厚肉化したタングステン膜を重ねることにより上面電極８７１を構成することができる。

なお、図１〜図５には、上面電極１６１に加重部分１６１５及び軽減部分１６１６を配置する例を示したが、加重部分１６１５及び軽減部分１６１６の両方又は一方を下面電極１４に配置してもよいし、加重部分１６１５及び軽減部分１６１６の両方又は一方を下面電極１４及び上面電極１６１の両方に配置してもよい。なお、下面電極１４に加重部分及び軽減部分の両方を配置する場合にも、上述したように、複数の導電材料で下面電極１４を構成することが必要になる。ただし、軽減部分１６１５及び加重部分１６１６の一方を上面電極１６に配置し、他方を下面電極１４に配置すれば、ウェットのフォトリソグラフィプロセスを用いる場合でも、単一の導電材料で下面電極１４及び上面電極１６を構成することが可能である。すなわち、タングステン等の抵抗率の低い導電材料のみで下面電極１４及び上面電極１６を構成することが可能になる。コスト高になるが、ドライプロセスを用いたフォトリソグラフィーであれば、加重部分１６１５及び軽減部分１６１６が上部電極１６の一方あるいは下部電極１４の一方にあっても同一の導電材料で構成することができる。

また、上面電極１６１の膜厚を部分的に厚くすることにより加重部分１６１５を形成すれば、加重部分１６１５を容易に形成することができるが、このことは、上面電極１６１の膜厚を部分的に厚くすることに代えて、又は、上面電極１６１の膜厚を部分的に厚くすることに加えて、上面電極１６１の比重を部分的に大きくすることにより、加重部分１６１５を形成することを妨げるものではない。

同様に、上面電極１６１の膜厚を部分的に薄くすることにより軽減部分１６１６を形成すれば、軽減部分１６１６を容易に形成することができるが、このことは、上面電極１６１の膜厚を部分的に薄くすることに代えて、又は、上面電極１６１の膜厚を部分的に薄くすることに加えて、上面電極１６１の比重を部分的に小さくすることにより、軽減部分１６１６を形成することを妨げるものではない。

また、図６〜図１０に示したように駆動部１６１１の平面形状が直交する対称軸Ｓａ及びＳｂについて軸対称となっている場合、加重部分１６１５及び軽減部分１６１６も対称軸Ｓａ及びＳｂについて軸対象とすることが望ましい。そうすれば、非対称モードの励振を抑制することができるからである。

なお、領域１８２だけでなく領域１８３にも加重部分を配置したのは、給電部１６１２の電気抵抗を減らすためである。ただし、このことは、領域１８２だけに加重部分１６１５を配置し、領域１８３には加重部分１６１５を配置しないようにすることを妨げるものではない。

＜第２実施形態＞
図１１〜図１３は、本発明の第２実施形態に係る圧電薄膜共振子２の模式図である。図１１は、圧電薄膜共振子２の斜視図、図１２は、図１１のXII-XIIの切断線における圧電薄膜共振子２の断面図、図１３は、図１１のXIII-XIIIの切断線における圧電薄膜共振子２の断面図となっている。図１１〜図１３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軸方向とする共通のＸＹＺ直交座標系が定義されている。

図１１〜図１３に示すように、圧電薄膜共振子２は、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。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、第１実施形態の圧電薄膜共振子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）に対応し、これらと同様の材料で構成することができる。

圧電薄膜共振子１と圧電薄膜共振子２との違いは、圧電薄膜共振子１の上面電極１６１に配置された加重部分１６１５及び軽減部分１６１６は、矩形の駆動部１６１１の長手方向に伸びる一対の対辺である長辺及び短手方向に伸びる一対の対辺である短辺の両方に沿って配置されているが、圧電薄膜共振子２の上面電極２６１に配置された加重部分２６１５及び軽減部分２６１６は、矩形の駆動部２６１１の長辺に沿って配置されており、矩形の駆動部２６１１の短辺に沿っては配置されていない点にある。換言すれば、加重部分１６１５及び軽減部分１６１６は、駆動部１６１１の中央部を縁取る額縁形になっており、中央部を完全に包囲しているが、加重部分２６１５及び軽減部分２６１６は、駆動部２６１１の中央部を縁取る額縁形の一部を取り除いた形になっており、中央部を完全に包囲していない。

長辺に沿ってのみ加重部分２６１５及び軽減部分２６１６を設け、短辺に沿って加重部分２６１５及び軽減部分２６１６を設けないのは、加重部分２６１５が形成する共振子の共振の影響を回避しつつ、副共振の影響を受けにくくするためである。すなわち、積極的理由としては、中央部より共振周波数が低い共振子を形成する加重部分２６１５が占める領域の面積を減らすことができるので、主共振の低周波数側に重畳する副共振の強度を低下させることができるからである。また、消極的理由としては、駆動部２６１１を細長の２次元形状とした場合、横モードの弾性波が主に長辺を横切る方向に向かって伝播するため、短辺に沿って加重部分２６１５及び軽減部分２６１６を配置しなくても、駆動部２６１１からの振動エネルギーの漏洩を十分に防止できるからである。

このような圧電薄膜共振子２でも、主共振の共振周波数と反共振周波数との間に重畳する副共振や主共振の共振周波数よりも低周波数側に重畳する副共振を実用上問題とならない程度まで抑制することができるとともに、主共振のＱ値を大幅に上昇することができる。

＜第３実施形態＞
図１４〜図１６は、本発明の第３実施形態に係る圧電薄膜共振子３の模式図である。図１４は、圧電薄膜共振子３の斜視図、図１５は、図１４のXV-XVの切断線における圧電薄膜共振子３の断面図、図１６は、図１４のXVI-XVIの切断線における圧電薄膜共振子３の断面図となっている。図１４〜図１６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軸方向とする共通のＸＹＺ直交座標系が定義されている。

図１４〜図１６に示すように、圧電薄膜共振子３は、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。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、第１実施形態の圧電薄膜共振子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）に対応し、これらと同様の材料で構成することができる。

圧電薄膜共振子１と圧電薄膜共振子３との違いは、圧電薄膜共振子１では、加重部分１６１５に沿って上面電極１６の膜厚を部分的に薄くすることにより、下面電極１４、圧電体薄膜１５及び上面電極１６を積層した積層体の単位面積あたりの質量が駆動部の中央部よりも小さくなる軽減部分１６１６を形成したが、圧電薄膜共振子３では、加重部分３６１５に沿って圧電体薄膜１５の膜厚を部分的に薄くすることにより、軽減部分３６１６を作成した点にある。

このような圧電薄膜共振子３でも、主共振の共振周波数と反共振周波数との間に重畳する副共振や主共振の共振周波数よりも低周波数側に重畳する副共振を実用上問題とならない程度まで抑制することができるとともに、主共振のＱ値を大幅に上昇することができる。

＜加重部分の他の例＞
続いて、加重部分の他の例について説明する。ただし、以下で説明する加重部分は、あくまで例示であって、本発明の範囲を限定することを目的とするものではない。

まず、加重部分が配置される領域の幅が一定であることは必須ではなく、例えば、図１７の平面図に示すように、駆動部４６１１の周縁部の楕円形の開口部を有する領域と駆動部４６１に隣接する給電部４６１２の矩形の領域とに加重部分４６１５を有するとともに、加重部分４６１１５の内側に軽減部分４６１６を有している上面電極４６１を上面電極１６１に代えて採用してもよい。

又は、図１８の平面図に示すように、第１実施形態の加重部分１６１５と同様の加重部分５６１５の内側にさらに別の加重部分５６１６を有し、加重部分５６１６の内側に軽減部分５６１７を有している上面電極５６１を上面電極１６１に代えて採用してもよい。

これらの他、駆動部の中央部から離れるにつれて加重部分の膜厚が厚くなり、加重部分の単位面積あたりの質量が大きくなってゆくようにしても、圧電薄膜共振子の副共振を良好に抑制することができる。また、このような加重部分には、加重部分の形状が若干変化しても副共振の抑制効果に大きな影響がないという利点もある。

例えば、図１９の断面図に示すように、膜厚が相対的に厚い部分と膜厚が相対的に薄い部分とを有する階段形状となっている加重部分６６１５を有し、加重部分６６１５の内側に軽減部分６６１６を有している上面電極６６１を上面電極１６１に代えて採用してもよい。

又は、図２０の断面図に示すように、膜厚が連続的に厚くなる坂道形状の加重部分７６１５を有し、加重部分７６１５の内側に軽減部分７６１６を有している上面電極７６１を上面電極１６１に代えて採用してもよい。

＜その他＞
上述の第１実施形態〜第３実施形態で説明した技術手段は、様々に組み合わせて用いることができる。例えば、第３実施形態における加重部分３６１５及び軽減部分３６１６を第２実施形態における加重部分２６１５及び軽減部分２６１６と同様に２辺化することも可能である。

以下では、本発明の第１実施形態に係る圧電薄膜共振子１に関する実施例について説明する。本実施例では、加重部分１６１５となるべき部分に導電体薄膜を成膜し、略均一な膜厚の導電体薄膜をさらに重ねて成膜することにより加重部分１６１５を形成し、軽減部分１６１６となるべき部分を薄肉化することにより軽減部分１６１６を形成している。

本実施例では、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、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、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及び接着層１２を構成する材料としてエポキシ接着剤を用いて圧電薄膜共振子１を作製した。

本実施例の圧電薄膜共振子１は、製造原価の低減のために、図２１に示すような、多数（典型的には、数１００個〜数１０００個）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得られている。

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２２〜図３０の断面図を参照しながら、本実施例の圧電薄膜共振子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１９として準備した。

そして、圧電体基板１９の下面の全面に膜厚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、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングを行い、図４に示すパターンを有する下面電極１４を得た（図２２）。

続いて、圧電体基板１９の下面の全面に膜厚０．５μｍの二酸化ケイ素膜をスパッタリングにより成膜し、キャビティ１３５となるべき領域に成膜された二酸化ケイ素膜をフッ酸を用いたウエットエッチングにより除去した。これにより、キャビティ１３５となるべき領域以外にキャビティ形成膜１３が形成されたことになる（図２３）。

さらに続いて、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、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１９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１９に圧力を印加してプレス圧着を行い、接着層１２の厚みを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１９とを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１９を接着した。これにより、深さが約０．５μｍのキャビティ１３５が形成された（図２４）。

支持基板１１と圧電体基板１９との接着が完了した後、圧電体基板１９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１９の上面を固定砥粒の研削機で研削加工し、圧電体基板１９の厚みを５０μｍまで薄肉化した。さらに、圧電体基板１９の上面をダイヤモンド砥粒で研磨加工し、圧電体基板１９の厚みを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１９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１９の仕上げ研磨を行い、厚みが１．００μｍの圧電体薄膜１５を得た（図２５）。

次に、圧電体薄膜１５の上面（研磨面）を有機溶剤で洗浄し、膜厚が２００オングストロームのクロム膜と膜厚が２０００オングストロームの金膜とを圧電体薄膜１５の上面に順次成膜し、得られた積層膜を一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングすることにより、圧電体薄膜１５の、バイアホール１５５を形成すべき部分のみを露出させたエッチングマスク１９５を得た（図２６）。

エッチングマスク１９５の形成後、６５℃に加熱したバッファードフッ酸で圧電体薄膜１５のエッチングを行い、圧電体薄膜１５の上面と下面との間を貫通するバイアホール１５５を形成して下面電極１４を露出させるとともに、エッチングマスク１９５をエッチングにより除去した（図２７）。

続く上面電極１６の形成工程において、まず、圧電体薄膜１５の上面の全面に膜厚が２００オングストロームのタンタル膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いて、上面電極１７を形成すべき領域のうち軽減部分１６１６となるべき部分以外にタンタル膜１６ａを形成した（図２８）。なお、圧電薄膜共振子１の共振抵抗を低下させるため、給電部１６１２及び上面電極１６２の電気抵抗を小さくすることが望まれるので、給電部１６１２及び上面電極１６２の膜厚を厚くするべく、給電部１６１２及び上面電極１６２となるべき部分にもタンタル膜１６ａを形成している。

さらに、タンタル膜１６ａの上面に膜厚が１５００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、フォトリソグラフィプロセスを用いて、加重部分１６１５となるべき部分タングステン膜１６ｂを残した（図２９）。なお、タンタル膜１６ａと同様に、給電部１６１２の膜厚を厚くして給電部１６１２の電気抵抗を小さくすべく、給電部１６１２及び上面電極１６２となるべき部分にもタングステン膜１６ｂを形成している。

さらに、タンタル膜１６ａ及びタングステン膜１６ｂの上に、膜厚が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、フォトリソグラフィプロセスを用いて、圧電薄膜共振子１を製造した（図３０）。

なお、この例では軽減部分１６１６をタンタル膜のパターニングで形成した方法を示したが、軽減部分１６１６をタングステン膜のパターニングで形成し、加重部分１６１５をタンタル膜のパターニングで形成することも可能である。

本発明の第１実施形態に係る圧電薄膜共振子の斜視図である。図１のII-IIの切断線における圧電薄膜共振子の断面図である。図１のIII-IIIの切断線における圧電薄膜共振子の断面図である。下面電極のパターンを示す図である。上面電極のパターンを示す図である。駆動部の形状の別例を示す図である。駆動部の形状の別例を示す図である。駆動部の形状の別例を示す図である。駆動部の形状の別例を示す図である。駆動部の形状の別例を示す図である。本発明の第２実施形態に係る圧電薄膜共振子の斜視図である。図１１のXII-XIIの切断線における圧電薄膜共振子の断面図である。図１１のXIII-XIIIの切断線における圧電薄膜共振子の断面図である。本発明の第３実施形態に係る圧電薄膜共振子の斜視図である。図１４のXV-XVの切断線における圧電薄膜共振子の断面図である。図１４のXVI-XVIの切断線における圧電薄膜共振子の断面図である。加重部分の別例を示す平面図である。加重部分の別例を示す平面図である。加重部分の別例を示す断面図である。加重部分の別例を示す断面図である。マザー基板の断面図である。圧電薄膜共振子の製造方法を説明する図である。圧電薄膜共振子の製造方法を説明する図である。圧電薄膜共振子の製造方法を説明する図である。圧電薄膜共振子の製造方法を説明する図である。圧電薄膜共振子の製造方法を説明する図である。圧電薄膜共振子の製造方法を説明する図である。圧電薄膜共振子の製造方法を説明する図である。圧電薄膜共振子の製造方法を説明する図である。圧電薄膜共振子の製造方法を説明する図である。

符号の説明

１，２，３圧電薄膜共振子
１１，２１，３１支持基板
１２，２２，３２接着層
１３，２３，３３キャビティ形成膜
１４，２４，２４下面電極
１５，２５，３５圧電体薄膜
１６，２６，３６上面電極
１６１５，２６１５，３６１５，４６１５，５６１５，６６１６，６６１６，７６１５加重部分
１６１６，２６１６，３６１６，４６１６，５６１６，６６１６，７６１６軽減部分

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、
前記圧電体薄膜の両主面にそれぞれ形成され、対向領域において前記圧電体薄膜を挟んで対向する電極と、
前記圧電体薄膜を支持する支持体と、
を備え、
前記電極は、前記対向領域の中央部よりも単位面積あたりの質量が大きい加重部分を前記対向領域の周縁部に有し、
前記圧電体薄膜及び前記電極を積層した積層体は、前記対向領域の中央部よりも単位面積あたりの質量が小さい軽減部分を前記加重部分に沿って前記加重部分より中央部寄りに有し、
前記対向領域の平面形状が矩形であり、
前記加重部分及び前記軽減部分が、前記対向領域の長辺に沿って配置されており、前記対向領域の短辺に沿っては配置されていない圧電薄膜デバイス。
前記対向領域が、直交する対称軸について軸対称となっており、前記加重部分及び前記軽減部分も当該対称軸について軸対象となっている請求項１に記載の圧電薄膜デバイス。