JPH0640611B2 - 圧電薄膜共振子 - Google Patents

圧電薄膜共振子

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JPH0640611B2
JPH0640611B2 JP5819485A JP5819485A JPH0640611B2 JP H0640611 B2 JPH0640611 B2 JP H0640611B2 JP 5819485 A JP5819485 A JP 5819485A JP 5819485 A JP5819485 A JP 5819485A JP H0640611 B2 JPH0640611 B2 JP H0640611B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、 VHF帯およびUHF帯用として好適な圧電薄
膜を用いた圧電薄膜共振子に関するものである。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
近年、材料技術や加工技術の進歩にともない半導体素子
の高密度集積化が推し進められている。しかしながら、
高周波帯の受動部品特に共振子やフィルタ等の共振回路
部品は半導体素子に比べて小型化の開発が立ち遅れてい
るのが実情である。このため、無線通信機器やニューメ
ディア関連機器等の応用分野において、VHF帯およびUHF
帯域で半導体素子との集積化が可能な小型受動部品の開
発が強く望まれている。
従来、数MHz〜十数MHzの比較的低い周波数帯では共振子
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実用化
され数多く使用されている。この振動子は長さ、幅また
は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械的強度および加工上
の制約を受けるため、単なる機械的研磨法では基板の厚
みが数十μm程度にとどまり、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が、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、またスプ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VHF,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“Progress i
n the Development of Miniture Thin Film SAW Resona
tor and Filter Technology”Proceedings of the 36th
Annual Symposium on Freguency Control 1982年6月
号第537頁〜第548頁等において開示されているものがあ
る。これは、シリコン等の半導体結晶基板に異方性エッ
チング技術を用いて基板の裏面に空穴を形成して半導体
薄膜を振動部の一部として所定の厚さだけ残し、その上
に励振用下部電極、圧電薄膜、励振用上部電極を形成す
ることにより共振子とするものであり、次のような特徴
をもっている。
1)振動部を極めて薄く形成することができるため、100M
Hz〜数GHzの周波数帯において基本モードあるいは低次
モードで動作させることができる。
2)電気機械結合係数を大きくすることができるため、低
容量比の共振子が実現可能となり、広帯域な共振回路と
して利用できる。
3)振動部が複合振動膜で構成されているため、圧電膜と
逆符号の周波数温度係数を有する誘電膜とを組合せるこ
とができる。これにより、圧電材料自体の温度特性より
優れた共振子ができ、構成条件によっては温度係数を零
にすることができる。
4)一般的な集積回路と同様の技術を用いて形成すること
ができるため、超小型の共振子を容易に形成することが
できるとともに、集積回路の一部として組み込むことが
できる。
ところが、この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 C6H4(OH)2、エチ
レンジアミンNH2(CH2)2-NH2、水H2Oの混合液)のエッチ
ング速度が最大50μm/Hrと小さいため、通常用いられ
る3インチ径シリコン基板の厚さが400μmなので、こ
れをエッチングするのに約8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、機械的強度が
弱く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を真空中で形成する
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向性が乱れ膜質および圧電性が
劣化するため、電気機械結合係数が小さくなり振動損失
が増大して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願の出願
人によって第3図および第4図に示すような空隙型の共
振子が先に提案されている。
この空隙型共振子は、図に示すように、基板21上にSi
O2等の誘電体膜22が基板21との間に空隙層23が形成
されるように一部突出して設けられているのが特徴であ
る。第3図および第4図において、24は誘電体膜22
上に形成された四辺形状の圧電薄膜、25,26はこの
圧電膜24を挾んで形成された下部電極および上部電極
であり、誘電体膜22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、量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でき、かつ集
積時の損傷が少ない等多くの長所を備えている。
しかしながら、図示の共振子について本発明者が詳細に
実験を行ったところ、新たに次のような問題が生じるこ
とがわかった。すなわち支持部である誘電体膜22とし
てSiO2膜を用いた場合、空隙口27の橋形部分の一部に
マイクロクラックが生じて破損したり、空隙層23の上
のSiO2膜および圧電薄膜24の振動膜がたわみ、基板面
に接してしまい基板中に振動エネルギーが漏れ、良好な
共振子特性が得られない欠点があり、かつこれらの欠点
は、空隙口27は広い場合、SiO2膜22が薄い場合に顕
著にあらわれることがわかった。この原因としては、Si
O2膜の内部応力が主に空隙口27の橋形近傍部分に集中
し、マイクロクラックが生じたり、振動膜がたわんでし
まうものと考えられる。
〔発明の目的〕
この発明は上記の欠点を解消するためになされたもの
で、空隙を構成する薄膜部の損傷を防止し、良好な共振
特性の得られる圧電薄膜共振子を提供することを目的と
する。
〔発明の概要〕
この発明の圧電薄膜共振子は、基板上に空隙層が形成さ
れるように第1の誘電体膜を橋形に設け、この橋形領域
上に圧電薄膜を挾んで一部が対向する下部電極と上部電
極が設けられてなる橋形状の圧電薄膜領域を設け、この
圧電薄膜領域を覆い、かつ第1の誘電体領域上に第2の
誘電体膜を設けたことを特徴とするものである。
〔発明の効果〕
この発明によれば、第1の誘電体膜、圧電薄膜および第
2の誘電体膜が積層された橋形によって空隙層が形成さ
れているため、構造的強度が増し、空隙層の損傷がなく
なり、製品の信頼性を高めることができるとともに、歩
留りを向上させることができる。
また、空隙口を広く形成できるため、複数個の共振子を
空隙層に対応した領域に設けることができ、音響結合を
利用したフィルタが形成しやすくなる。
〔発明の実施例〕
以下、図面を参照してこの発明を詳細に説明する。
第1図(a)および(b)は、この発明の一実施例の圧電薄膜
共振子の斜視図および断面図を示すもので、基板1上に
空隙層7が形成されるように誘電体膜2が形成され、そ
の上に下部電極3、圧電薄膜4、上部電極5および誘電
体膜6が順次形成されている。このような圧電薄膜共振
子は、以下のようにして製作される。
まず基板1上に予めスパッタリング法やホトエッチング
法等の手段を用いて、化学的に溶解しやすいZnO等の空
隙形成用物質膜を長方形に形成しておく。その上に空隙
形成用物質膜の少なくとも一部がはみだすように、SiO2
等の誘電体膜2を帯状にスパッタリング法やホトエッチ
ング法等の手段を用いて形成する。このとき、誘電体膜
2は一部が突出した橋形構造に形成される。
この誘電体膜2上に下部電極3を真空蒸着法等の手段を
用いて形成する。さらに、その上からRRマグネトロン
スパッタ法等の手段を用いてZnO等の圧電薄膜を形成
し、フォトリソグラフィ技術を用いて下部電極3のパッ
ト部3aを除く領域にレジストパターンを形成し、これ
をマスクとしてエッチング液を用いて所定の大きさの圧
電薄膜4を形成する。さらに、この圧電薄膜4の上に下
部電極3の一部に対向するようにボンディングパッド5
aを有する上部電極5を真空蒸着法等の手段を用いて形
成する。さらに、圧電薄膜4を覆い、パッド部3aおよ
び5aの一部分を除いた誘電体膜2上の領域に誘電体膜
6をスパッタリング法等により形成する。
最後に、誘電体膜6を保護膜として、これを空隙形成用
物質を溶解するエッチング液(ZnOの場合にはHCl等の希
酸液)に浸して、空隙形成用物質膜を溶解する。このと
き、空隙形成用物質膜だけが2ケ所に設けられた空隙口
7aの付近から溶解し最終的に空隙形成用物質はすべて
溶解して空隙層7が形成されて圧電薄膜共振子が完成さ
れる。
ここで、空隙層7の厚さは、共振子の動作周波数におけ
る振動変位の数倍以上であれば充分であるが、製作の容
易から数百Å〜数μm位が望ましい。
この圧電薄膜共振子は、下部電極3と上部電極5との間
に電気信号を印加することにより、電極対向部を中心に
空隙層7に対応する領域に形成された誘電体膜2と圧電
薄膜4と誘電体膜6とからなる複合体膜が振動すること
により、振動子として動作する。
第2図は、上記第1図と同様の方法で形成されたフィル
タの構成を示すものである。この構造のフィルタは、共
振子の上部電極を2つに分割した型となっており、上部
電極11と隣接してもう一方の上部電極12とを設けた
ものであり、下部電極13は圧電膜14をはさんで上部
電極11,12と共通して一部対向している。すなわ
ち、下部電極13を共通電極として2つの共振子が形成
されているわけである。このとき一つの共振子で励振さ
れた振動が圧電膜を伝搬し、隣接するもう一つの共振子
を励振させ、特定の周波数だけが通過する帯域フィルタ
として動作するものである。
したがって、このような構成によれば、第1の誘電体膜
2、圧電膜4および第2の誘電体膜6の積層で橋形空隙
層が形成されるため、構造的強度が増し、破損やたわみ
などの損傷が防止され製品の信頼性を高めることができ
るとともに、歩留りを向上させて生産性を高めることが
できる。また空隙層領域を広く形成できるため、複数個
の共振子を設けて音響的結合を利用したフィルタが形成
しやすくなる。また誘電体膜6によって下部電極、圧電
薄膜および上部電極が被覆されているため、湿度等の外
気の影響を防ぎ信頼性を高めるとともに、動作周波数に
おける振動モードの応力分布の最大点を圧電薄膜層の中
央部に位置させることができるため、電気機械結合係数
を高めることができる。また、誘電体膜2,6に圧電薄
膜4と逆符号の周波数温度係数を有するSiO2膜を用いる
ことにより、湿度特性の優れた共振子を得ることができ
る。
なお、この発明は上記実施例に限定されるものではな
く、要旨を変更しない範囲において種々変形して実施す
ることができる。すなわち誘電体膜の物質はSiO2に限ら
れるものではなく、Si3N4,SiO2にリンをドープしたPSG
(Phospho Silicate Glass)、SiO2にポロンとリンをド
ープしたBPSG(Boro Phospho Silicate Glass)等のガ
ラス類でもよく、また圧電薄膜の周波数温度係数と逆で
あれば複数種類の誘電体膜を重ねた複合膜であってもよ
い。
この発明によれば、圧電薄膜の物質はZnOに限られるも
のではなく、AeN,Nb2O5,PbTiO3,Ta2O5等の物質を圧電薄
膜として使用することができる。
この発明によれば、空隙形成用エッチング液にて容易に
溶解できるものであれば金属、酸化物、半導体、誘電
体、高分子材料等の物質を空隙形成用物質膜として使用
することができる。
この発明によれば、基板の物質は圧電薄膜共振子を集積
回路内に組み込む場合には、Si,GaAs等の半導体を基板
として使用し、また個別部分としてハイブリッド回路等
に組み込む場合には、セラミックス、ガラス等を基板と
して使用することができる。
この発明によれば下部電極に対して複数個の上部電極を
それぞれ対向しかつ直交するように配置し、各電極対向
部の間の弾性的結合が無視出来る程度に離すか、または
各電極対向部の間に溝や吸音剤を設けるなどして、各対
向する上下電極を独立した共振子として用いる多素子型
共振子に構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例を示す図、第2図はこの発
明の他の実施例を示す正面図、第3図および第4図は従
来の圧電薄膜共振子を示す図である。 1……基板、2……誘電体膜、3……下部電極、 4……圧電薄膜、5……上部電極、 3a,5a……ボンディングパッド部、 6……誘電体膜、7……空隙層、7a……空隙口、 11,12……上部電極、13……下部電極、 14……圧電薄膜、21……基板、22……誘電体膜、 23……空隙層、24……圧電薄膜、 25……下部電極、26……上部電極、27……空隙
口。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板と、この基板との間に空隙層が形成さ
    れるように橋形状に設けられた第1の誘電体膜と、この
    橋形領域上を含み第1の誘電体膜上に圧電薄膜を挾んで
    一部が対向する下部電極と上部電極とを備えた圧電薄膜
    領域を設け、この圧電薄膜を覆い第1の誘電体膜領域上
    に第2の誘電体膜を形成したことを特徴とする圧電薄膜
    共振子。
  2. 【請求項2】電極は空隙層に対応した領域内で少なくと
    も1対以上有することを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の圧電薄膜共振子。
JP5819485A 1985-03-25 1985-03-25 圧電薄膜共振子 Expired - Lifetime JPH0640611B2 (ja)

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