JPH0396005A - 圧電薄膜共振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は、ＶＨＦ帯やＵ　Ｈ　Ｆ　潤の発振子あるい
はフィルタとして用いて好適な、圧電薄膜を用いた圧電
薄膜共振子に関するものである。

（従来の技術） 近年、半導体素子の高密度集積化が進み、それに組み込
まれる抵抗や容量等の受動素子の小型化も強く望まれて
いる。一方、高周波帯の受動部品、特に、コイルを用い
る共振子やフィルタ等の共振回路部品は、小型化、集積
化技術が立ち遅れており、ＶＨＦ．ＵＨＦ帯無線機の小
型化を阻む一要囚となっている。

この問題を解決する手段として、数ＭＨｚ〜十数ＭＨｚ
の比較的低い周波数帯では、共振子やフィルタとして水
晶やチタン酸鉛系セラミックス等の圧電基板を用い、そ
の厚み振動を利用した振動子が供されている。この振動
子においては、幅及び厚み等の幾何学的形状により、共
振周波数が決まる。ところが、このような圧電基板は、
機城的強度および加工上の制約を受ける。このため、ｌ
ｉｔなる機械的研摩法では、基板の厚みを数十μｍ程度
以下にするのは著しく困難であった。したがって、その
基板の基本共振周波数は、高々数十ＭＨｚ程度が限界と
なっていた。

そこで、これ以上の高い周波数を必要とする場合には、
高次厚み振動を利用することになる。しかしながら、こ
の場合の電気機械結合係数は次数の二乗に反比例するた
め、極端に小さくなるので容量比が増大し、またスブリ
アス共振が所望の共振点に近い位置にくるため、広帯域
共振子フィルタや電圧制御発振器用広帯域発振子の実現
が難しく、実用的ではなかった。

これに対し、最近表面波デバイスに使われているすだれ
状電極を利用して、高次幅振動でも電気機械結合係数が
劣化しないようにする方法が研究されている。このよう
な共振子としては、例えば“圧電ストリップにおける高
次幅振動のエネルギー閉込めとそのフィルタへの応用″
電子情報通信学会論文誌　Ａ，１９８８年８月号第１４
８９頁−第１４９８頁等において開示されているものが
ある。この方広は、圧電セラミックを使用するものであ
り、前述のような製遣上の問題のため、基本周波数が高
々数十ＭＨｚの共振子しか出来ないという欠点がある。

又、長方形状の板を用いているため、交差指電極に平行
な方向（即ち、主共振モードが発生する方向と直交する
方向）の端面での反射成分による共振現象が生じ、スブ
リアス応答が生じる。そのため、端面を実際の共振部よ
り遠くに設けて、反射成分を十分減衰させる必要があり
、共振部の交差幅の１０〜１５倍ほど長い褪板を使わね
ばならないという欠点があった。

一方、これに対して、最近、厚み振動の基本モードある
いは比較的低次のオーバートーンで動作する超小型のＶ
ＨＦ，ＵＨＦ帯共振子の実現を目指して、圧電薄膜を用
いた共振子が研究されている。

このような圧電薄膜共振子としては、例えば、″’Ｐｒ
ｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｔｌ１ｅ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎ
ｔ　ｏｒ　ＭｉｎｉＬｕｒｅＴｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　ＢＡ
Ｗ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ　ａｎｄ　ＦｉｌｔｅｒＴｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ’　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔ
ｈｅ　３８ｔｈ　ＡｎｎｕａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏ
ｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，　１　９　
８　２年６月号第５３７頁〜第５４８頁，や“Ｒｃｃｅ
ｎｔＡｄｖａｎｃｅｓ　　ｉｎ　Ｓｕｂａ＋ｉｎｉａｔ
ｕｖｅｌ　　Ｔｈｉｎ　Ｍｃｏ＋ｂｒａｎｃｃＲｅｓｏ
ｎａｔｏｒｓ″１　９　８　５　　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉ
ｃｓ　ＳｙｍｐｏｓｉｕｍＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，　
１　９　８　５年１０月号第２９１頁〜第３０１頁等に
おいて開示されているものがある。

これらは、シリコン等の半導体結晶基板の裏面に、異方
性エッチングにより空穴を形或することにより、半導体
基板の表面側に薄膜を振動部の一部として所定の厚さだ
け残し、その後その薄膜上に励振川下部電極、圧電薄膜
及び励振用上部電極を順次形成することにより共振子と
するものである。

しかしながら、このような共振子には、次のような重大
な欠点がある。

（１）　通常、シリコン基板に空穴部を形成するために
使われるＰＥＤエッチング液（ピロカテコールＣ　　Ｈ
　　（ＯＨ）２，エチレンジアミン６４ ＮＨ　（ＣＨ２）２ＮＨ２，水Ｈ２０の混合液）２ のエッチング速度が最大５０μｍ　／　Ｈ　ｒと小さい
。

そのため、通常用いられる３インチ径シリコン基板の厚
さが４００μｍであることから、これをエッチングする
のに約８峙間という長い時間を要し、極めて生産性が悪
く量産が困難である。

（２）　基板自体に空穴部が形成されるため、機緘的強
度が弱くなり、製作工程上の取り扱いが難しくなる。

（３）　空穴部を形成した後に圧電薄膜が真空に近い状
態中で形成される。そのため、基板面の温度分布が不均
一になる。したがって、圧電薄膜自体の結晶の配同性が
乱れ、膜質および圧電性が劣化する。このため、電気機
械結合係数が小さくなり、振動損失が増大し、共振子の
容量比が大きくなり、Ｑが低下する。

（４）　集積回路の一部に共振子を組み入れる際、保護
膜を使用していても、空穴形成工程で他の集積回路に損
傷を与えることが多く、歩留りが悪かった。

そこで、これらの欠点を除去するものとして、本発明の
出廓人によって第６図に示すような空隙型の共振子が開
発され、すでに別途に出願がなされている（Ｉｃｔ開昭
６０−１８９３０７号）。

この空隙型共振子は、第６図に示すように、基板１上に
Ｓ　ｉ０　２等の誘電体膜２を、基板１この間に空隙層
３が形成されるように中央部を持ち上げた状態に設けら
れているのが特徴である。同図において、４は誘電体膜
２上に形成された四辺形状の圧電薄膜、５．６はこの圧
電薄膜４を上下に挟んで形威された下部電極および上部
電極である。

誘電体膜２は振動膜および支持体の一部をなすものであ
る。

この共振子は、生産性が良く、機械的強度が改善され、
膜形成時の温度分布を均一にてき、かつ集積時にＩＣ回
路等の外部電子回路の損傷が少ない等多くの長所を備え
ている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、この共振子をさらに改善することも可能
である。この共振子は、厚み方向の振動である厚み縦又
は厚みすべり振動を用いているため、厚さに反比例して
共振周波数が決定される。

そのため、非圧電及び圧電薄膜をＲＦマグネトロンスパ
ッタ法等の形成方法で形成した場合には、ウエハーに多
数個形成された共振子はウエハー山の膜厚分布が１〜１
０％あるため、その共振周波数が１〜１０％程度のバラ
ツキをもつこともある。

一般にフィルタや発振子として実用可能な共振子は、少
なくとも０．　　１％以下の周波数確度が求められる。

従って、この共振子を実用に供するには、新たにＳｉＯ
２等の誘電膜や金属膜を付着させて周波数を低くするか
、又は膜厚を逆スバッタ法等によって減ずる等のいわゆ
る周波数トリミングによって周波数確度を上げねばなら
ない。この周波数トリミングはウェハーを個々のチップ
としてから個別に行う必要があり、量産性が非常に悪く
なり又製造コストも高くなる。又、本質的な問題として
、同一工程で、同一ウェハー上に相異なった所要の共振
周波数をもつ共振子を作或することが困難である。これ
は、周波数コンバータのように、フィルタと局部発振器
に用いる共振子が異なった共振周波数が要求される回路
を１チップ上に形成する場合や、複数の発振周波数を要
する、発振器の共振子を１チップ上に形成する場合には
、致命的な欠点になる。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的は、
製造時の共振周波数のバラツキが大きくならないように
すると共に同一基板上に相兄なる共振周波数をもつ複数
の共振子を形成が可能な圧電薄膜共振子を提供すること
にある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の圧電薄膜共振子は、基板と、その基板の表面上
に形或され、波の伝搬方向とほぼ垂直方向の両端部分の
下面をその基板の表面に密着状態に固定し、中央部分を
その基板の表面から離れる方向に離間させて空隙を形成
させた非圧電性薄膜と、その非圧電性薄膜の前記中央部
分上に形成された圧電薄膜と、その圧電薄膜の両面を挟
む１対の電極板を有するすだれ状電極と、を備えたもの
として構成される。

（作　用） 」（振周波数は、圧電薄膜等の膜厚によって決定される
のではなく、すだれ状電極の櫛歯状電極の平面的な形状
寸法によって決定される。而して、圧電薄膜等の膜厚の
制御に比べて櫛歯状電極の平面的な形状寸法の制御は容
易である。よって、製品の共振周波数のバラツキを低く
抑えるのは容易に行われる。また、櫛歯状電極としてそ
の平面的な形状寸法の叉なるものを同一基板上に形成す
るのは容易である。つまり、同一基板上に共振周波数の
異なる複数の圧電薄膜共振子を形成するのは容易に行わ
れる。

さらに、非圧電薄膜の波の伝搬方向とほぼ垂直な方向の
両端部分の下面が基板の表面に密着している。このこと
から、不要振動は基仮に効率良く吸収され、上記垂直な
方向両端面における反射により、スプリアス応答が生じ
るのが防止される。

また、ストリップ反射器によって、共振周波数のより一
層のバラツキ防止がなされる。

（実施例） 本発明の実施例の説明に先立ち、本発明の原理について
説明する。

上述のバラツキの問題を解決するには、共振周波数の振
動膜の厚さ依存性を軽減すればよい。又、上述の叉なる
共振周波数の複数共振子を実現するという問題を解決す
るには、共振周波数が振動膜の厚さではなく長さとか幅
とかいった平面形状で決まるようにすればよい。このよ
うな観点に基づいて、共振周波数を、平面形状で主に決
定できるよう工夫すると、近年ＩＣの分野で著しく発達
した高精度パターンニング技術及び微細加工技術の活用
によって、高精度形状を実現し、共振周波数を高精度に
制御できることになり、同時にバラツキの問題も解決で
きる。

本発明は、上記考えに基づいてなされたもので、厚み縦
振動による厚み共振周波数より高い周波数における速度
分散性が小さい領域の伝搬モード及び厚み縦共振周波数
より低い周波数で最低次の対称又は非対称板波モードを
利用して、幅方向の端面での反射による共振を起させ、
主として、幅方向の幾何学的形状によって共振周波数を
設定てきるようにしたことを特徴とするものである。

このとき、圧電薄膜を含む振動膜の少なくとも２個所の
保持点を共振を生じている方向と略直角方向に配置する
ことによって、不要波振動エネルギーを膜支持部に吸収
させるようにする。これによって、スプリアス応答問題
もなくなり、良好な特性が得られるようになる。

第１図（ａ），　　（ｂ）は、このような観点に基づい
て構成された本発明の基本的な第１実施例の斜視図及び
そのｌｂ−１ｂ線断面図である。この実施例は、第１図
（ａ），　　（ｂ）からわかるように、基阪１と薄膜の
振動部分との間に空隙１３を有する圧電薄膜共振子であ
り、励振電極としては対向電極形のすだれ状電極を用い
ている。即ち、第１図（ａ），（ｂ）からわかるように
、半導体の基仮１１上にＳＩＯ２等の誘電体膜１２を形
成する。誘電体膜１２の長手方向両端は基板１１上に密
着している。これにより、長手方向に伝わる振動は、基
板１１に吸収される。中央部分は、基板１１との間に励
振のための空隙１３が形威されるように持ち上げられた
状態になっている。誘電体膜１２上には、一対の櫛歯状
電ＩＭ１４．１５が、同一平面上で長手方向に対向した
状態に形或されている。それらの電極１４．１５の各歯
（電極指）は、互いに入れ子状態に交差、歯合している
。このような、誘電体膜１２及び櫛歯状電極１４，１５
上にＺｎＯ等の圧電膜１７及び平仮状の対向電極１８が
順次形成されている。これにより、上記のすだれ状電極
が形或されている。

このように構成された第１図（ａ），　　（ｂ）の共振
子における共振は、幅方向の端而に定在波変位の腹が位
置する状態で生じる。このとき、各電極指を定在波振幅
の節の部分に位置させ、電極指の周期を定在波の周期と
一致させることによって、励振効率を上げることが出来
、且つ容量比が小さいと共にＱの高い共振子が実現され
る。この共振子の共振周波数は、幅寸法に強く依存し、
バラツキは平面パターンの精度によって容易に制御出来
るようになる。また、基阪１１をＩＣ基板にすれば、仰
性波共振子を何するモノリシックＩＣが実現できる。

この共振子の人力アドミッタンスの周波数特性例を第２
図（ｂ）に示す。また、第２図（ａ）には、比較のため
、幅方向と直角な方向（長手方向）が自由端になってい
る矩形板の場合の入力アドミッタンス特性を示す。この
第２図（ａ）からわかるように、両端を自由とした場合
には、長手方向の端而における反射によってスブリアス
応答か八列共振周波数付近に出ている。これに対し、第
１図（ａ），　　（ｂ）の構造のように、長手方向の端
而を基板に密着させた場会には、第２図（ｂ）からわか
るように、無スブリアスにすることが可能になり、電極
指の交差幅（かみ合い長さ）より１，２倍程度離して基
板に密着させた集積度の高い支持状態でも、十分実用的
特性が得られる。

第３図（ａ），　　（ｂ）は、本発明の第２実施利を示
す。第３図（ａ），（ｂ）において、第１図（ａ），　
　（ｂ）と同等の構成要素には、第】図（ａ），　　（
ｂ）と同一の符号を付している。第３図（ａ），　　（
ｂ）が第１図（ａ），　　（ｂ）と異なる点は、すだれ
状電極の幅方向両側に、一定間隔のストリップ（ライン
）反射器１９Ａ，１９Ｂをそれぞれ設けた点にある。

この場合、共振周波数は、反射器の反射効率が十分大き
ければ、主に、反射器間の距離で決定される。製造時に
、このストリップラインのパターンを、すだれ状電極作
或用フォトマスクと同一マスク上に作成することによっ
て、第１図（ａ），（ｂ）の共振子より更に製造時の周
波数特性バラツキ、共振周波数確度、共振子等価定数の
バラツキを少くすることが出来る。

本発明の第３の実施例の要部概念図を第４図に示す。第
１及び第２の実施飼のすたれ状電極は、ほ念的には第７
図のように表わされる。この第７図からわかるように、
片面側の電極は、単なる゛Ｐ．仮の対向電極１０で構成
されていた。しかし、二の形のものは、隣接電極歯区間
で電気的に直列に接続された形になっており、素子のイ
ンピーダンスが高くなり、等価インダクタンスが大きく
なる。

これに対し、第４図のようにすれば、素子のインピーダ
ンスを下げることができる。即ち、第４図のように、上
下面とも櫛歯状電極１４．１５を有するすだれ状電極に
すれば、素子のインピーダンスを下げることができる。

これによって、幅方向に、■極からｅ極に直接リークす
る無効電気力線も減少し、電気機械変換効率も改善され
る。

本発明の第４の実施例を、第５図の概念図を用いて説明
する。

発振回路からなるＩ　Ｃ２２が形成された半導体基板２
１上に、幅をＷ１〜Ｗ３としてそれぞれλなる共振周波
数ｆ１〜ｆ３をもつ複数の圧電薄膜共振子２３Ａ〜２３
Ｃを設け、これらを適宜電子的なスイッチ２４によって
切換えることによって、複数の発振器を同一基板上に得
ることが出来る。

第５図においては、その回路構或を、町変容量回路２５
を有する電圧制御発振回路（Ｖ　Ｃ　Ｏ）としてある６
これにより、単独の回路ではカバーしきれない周波数範
囲も、複数の素子を２３Ａ〜２３Ｃを切り換えて用いる
ことによってカバーすることが可能になる。

この第４の実施例によれば、共振周波数の相異なる共振
子を同一基板上に同時に作或することが出来るので、受
信機において高周波段のフィルタ、局部発振器の発振子
及びスプリアス除夫フィルタ等の主要共振回路を、ＩＣ
基板上に完全モノシンク化した形で作成することが可能
になる。

更に、本発明の圧電薄膜共振子の振動膜にＳ　ｉＯ　２
等の薄膜を重ね合せた多層膜構遣を用いることによって
、温度特性が改善出来ることは、いうまでもない。

なお、本発明による圧電薄膜共振子においては、フィル
タを、通常の水晶フィルタと類似の構成とすることがで
きることはいうまでもない。

本発明の実施例によれば、以下の効果が得られる。

上述の本発明の実施例は、すだれ状電極で波を励振する
空隙を有する圧電薄膜共振子において、波の伝搬方向（
幅方向）と略直角方向（長さ方向）の両端面を基仮に接
合させ、振動膜の支持機能と不要波反力１防止機能を併
せ持たせたものである。

このような構造にすることによって、スプリアス応答の
ない良好な共振特性が得られるばかりでなく、フす１・
リソグラフィ技術によって高精度が得られる幅寸法で共
振周波数が主に決まることから、製追時の共振周波数確
度か上かり、バラッキも小さくなり、歩留りが飛躍的に
向上する。

又、中心周波数の相異なる複数の共振子を、同一工程で
同一ウェハー上に同時に作ることが可能になる。これは
、高周波回路で局部発振回路及び高周波フィルタ等の共
振素子が同貼に形或可能になることを意味している。

更に、励振用すだれ状電極作成時に、同時に両側にスト
リップ反射器パターンを形或する方法を採用すれば、よ
り共振周波数の製造バラッキを押さえることが可能にな
る。

一方、上下面電極を共に櫛歯状電極にすることによって
、インピーダンスを下げ、発振回路や増幅回路との整合
をとりやすくすることもｉ’ｉｌ能になる。この構造に
よれば、無効電界を少なくし、実効的に電気機械結合係
数を増大させ、容量比の小さな共振子を得ることも可能
になる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、共振周波数のバラツキを低く抑えるこ
とができると共に、スプリアス応答のない良好な共振特
性を得ることができ、且つ、穴なる共振周波数の振動子
を同一基板上に容易に形成することができる。

１４．１５・・・櫛歯状電極、１７・・・圧電汚膜、１
８・・対向電極、１９Ａ，１９Ｂ・・・スプリソトライ
ン反射器、２３Ａ〜２３Ｃ・・・圧電薄膜共振子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基板と、 その基板の表面上に形成され、波の伝搬方向とほぼ垂直
   方向の両端部分の下面をその基板の表面に密着状態に固
   定し、中央部分をその基板の表面から離れる方向に離間
   させて空隙を形成させた非圧電性薄膜と、 その非圧電性薄膜の前記中央部分上に少くとも形成され
   た圧電薄膜と、 その圧電薄膜の両面を挟む１対の電極板を有するすだれ
   状電極と、 を備えたことを特徴とする圧電薄膜共振子。