JPS61127216A - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明は、ＶＨＦ帯およびＵＨＦＨＦ上して好適な圧
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
の高會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〜士数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可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、単なる機械的研摩法では
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
み撮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掘子の実現が１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■ＩＦ　、Ｕ
ＨＦ帯共振子の実現を１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＠Ｐｒｏｇｒ
ｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ
　ＭｉｎｉｔｕｒｅＴｈｉｎＦ目ｍ　ＢＡＷ　Ｒｅ５ｏ
ｎａｔｏｒ　ａｎｄ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ’Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　３６ｔ
ｈ　Ａｎｎｕａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎＦｒｅｇ
ｕｅｎｏｙ　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ｌこ異方性
エツ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ζこ励娠用下部電紬、圧電薄膜、励損用上部電極
を形成することにより共振子とするものであり、次のよ
うな特長をもっている。

１）ｆＭ動部を屡めて薄く形成することができるため、
１００ＭＨｚ〜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１！
腐と逆符合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１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ｌこけ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エツチング液（ピロカテコールＣ８Ｈ４（ＯＨ
）２−エチレンジアミン間、　（ＣＨｔ　）ｔＮＨ，、
水Ｈ２０の混合液）のエツチング速度が最大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、これをエツチングする
のに約８時間を要し、極めて生産性が悪く重量が困難で
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撮動損
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４図および第５図に示すような空隙型の共
振子が開発され、すでｌζ別途に出願がなされている（
ただし現時点では未公開）。

この空隙型共振子は、図に示すように、基板２１上にＳ
ｉｎ、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４図および第５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
はこの圧電薄膜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。

この扶振子は、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、図示の共振子は、二方向に空隙層２３の
空隙口２７がある橋形構造のものであるから、振＃Ｉ模
の支持点が２点しかなく機械的強度の点で充分とはいえ
ない。また電極の取り出し方向が下部電極２５および上
部１！４２６の２方向しかなく、一対の電極２５　、２
６を直線的に配置すると対向部分の面積が電極パターン
の位置誤差により大きく影響を受けるため、共振子特性
のバラツキが生じる問題がある。さらに、フィルタを構
成するため多電極構造が必要な場合に、電極の取り出し
方に制約を受け、また集積回路に組み入れる場合に外部
回路との接続が長くなり、接続部の浮遊インダクタンス
、キャパシタンス、抵抗の増加により性能が劣化する欠
点があった。

〔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
、ホ４氷パターン配置の自由度を増すことができ、外部
回路との接続が容易である七ともに、電極パターン形成
時に位置ずれによる影響が少なく、しかも機械的強度も
充分な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
れるように振動膜を橋形に設けるとともに、この撮Ｑｈ
　膜の支持部を少なくとも３個以上とし、かつ空隙層の
開口部を３個以上としたことを特徴としたものである。

〔発明の効果〕

この発明ｔこよれば、振動膜を３個以上の支持部で支え
る橋形に形成することで％撮動部の機械的強度が増し、
形成膜の破損が少なくなり製品の信頼性を高めることが
できるとともζζ歩留りを向上させることができる。し
かも、多点支持部分を利用して外部回路に接続する電極
を設けることにより、接続配線を短縮することができる
ため、ＩＪ−ドインダクタンスや浮遊容量の影響を軽減
することができる。

また、空隙口を多数設けることにより、空隙形成時に多
方面からエツチングを行なうことができるため均一なエ
ツチングが可能となり、かつ空隙形成時間を短縮するこ
とができる。

〔発明の実施列〕

以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図および第２図において１は基板で、この基板１上
（こ予じめスパッタリング法やホトエツチング法等の手
段を用いて化学的に溶解しやすいＺｎＯ等の空隙形成用
物質膜を例えば第１図中二点鎖線で示すように正方形状
に形成しておく。その上に空隙形成用物質膜の各角部が
露出するように８ｉ０２等の誘電体膜２を図示のように
正方形の各角部に四角形を接合した形状−こスパッタリ
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４点の支持部２ａ〜２ｄを有する橋形
構造に形成される。

この誘電体膜２上に図中左右に対向する支持部２ａ。

２Ｃを結ぶ線上に一対のパッド部３ａ、３ｂを有する下
部電極３を真空蒸着法等の手段を用いて形成しさらに、
その上からパッド部３ａ　、　３ｂを除いて誘電体＠２
より若干小さい形状にＺｎＯ等の圧１薄＠４をマグネト
ロンスパッタ法等の手段を用いて形成する。さらに、こ
の圧電薄膜４の上に下部電極３の一部に対向させ、力）
つ直交するようにパッド部５３または６ａを有する一対
の上部電極５，６を真空蒸着により形成する。

最後に、誘電体膜２上に形成された圧電ｍ膜４および電
極３，５．６をホトレジスト等の保護膜で被覆したのち
、これを空隙形成用物質を溶解するエツチング液（Ｚｎ
Ｏの場合はＨＣ１！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、誘電体膜２および上記保護
膜は全く溶解せず、空隙形成用物質膜だけが４ケ所に設
けられた空隙ロアａの付近から溶解し、最終的（こ空隙
形成用物質は全て溶解して基板１と誘電体膜２との間に
空隙層７が形成さ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撮動変位
の数倍以上あれば充分であるが、作成の容易さから数百
Ａ−数μｍ位が望ましい。

この圧電薄膜共振子は下部′Ｎ１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
として動作し、その振動エネルギーの一部が上部電極６
に機械的に伝わり、誘起された機動エネルギーを上部電
極６から取り出すことによりフィルタとして動作する。

したがってこのような構成によれば、振動膜を４（Ｉ！
の支持ｆＳ２ａ〜２ｄで基板１上に支えることにより、
振動部の機械的強度を増すことができるため、形成膜の
内部応力によって空隙形成時に生じる振動膜の破損を防
止して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竜性を高めることができる。しかも
、支持部２ａ〜２ｄの上方にパッド３ａ　、　３ｂ　、
　５ａ　、　５ａを設けることにより、外部回路との接
続が容易りその配線を短縮することができるため、リー
ドインダクタンスや浮遊容量の影響を軽減することがで
きる。

また、最終工程で空隙形成用物質膜を除去することによ
り、中間工程で空隙形成用物質上に誘電体膜２．圧電薄
膜４および電極３，５．６を堆積させることができるた
め、膜形成時に温度分布が均一になり、各膜を良好に形
成することができる。これにより、振動損失が少なく容
量比の小さな共振子を容易に得ることができる。

また、空隙ロアａを４個等間隔に設けることにより、空
隙形成時に四方からエツチングを行なうことができるた
め、均一なエツチングが可能となり振動膜の損傷を少な
く抑え製品の信頼性を高めることができるとともに、エ
ツチング液の滞溜が少なくなり流動性が改善されるため
、空隙形成時間を短縮して生産性を高めることができる
。

さらに、主要振動部である上下電極３，５．６の対向部
分において、下部電極３に対して上部ｔｆｆ１５゜６を
直交するように配置することにより、電極パターン形成
時の位置ずれによる影響がうけ］こくく常に対向面積の
変化を最小限に抑えることができるため、特性のバラツ
キを少なくすることができる。

次に、この発明の他の実施例として第３図に示すように
第１図および第２図に示す共振子の上に８ｉ０２．８ｉ
、　Ｎ、　４の化学的に安定な保護用の誘電体膜１１を
設けた構造のものがある。ここでは、第１図および第２
図と同一部分に同一符号を記して説明を省略する。

このように、誘電体膜２上に形成された圧電薄膜４およ
び′Ｎ、極３，５，６を誘電体膜１１で被覆することに
より、振動励発の電極３，５．６の酸化および圧電薄膜
４に対する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′ｍ体膜１１に圧電薄膜４と逆符号の周波数温
度係数を有す物質を用いることにより、温度特性の優れ
た共憑子を得ることができる。さら４ζζ誘体膜１１を
空隙形成時の保護膜として兼用することにより、ホトレ
ジスト等の保護膜の除去工程を省略することができるた
め、その分生産性を高めることができる。

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。

この発明によれば、振動基底膜となる誘電体膜の物質は
Ｓｉｎ、に限られるものではなく　、Ｓ’ｓＮ＋ｅＳｉ
ｎ、にリンをドープしたＰＳＧ　（Ｐｈｏｓｐｈｏ　５
ｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ　）　、　８１０２にボ０７
とリンをドープしたＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ　Ｐｈｏｓｐｈ
ｏ　Ｓ目１ｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）等のガ５　ス類７！
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、ＡＩ！Ｎ　、　Ｎｂ、Ｏ，、ＰｂＴ　ｉ
Ｏ５’Ｊ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、空隙形成用物質膜の物質はＺｎＯに
限られるものではなく、空隙形成用エツチング液にて容
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
用するこさができる。

この発明によれば、基板の物質は圧′？Ｉ！薄膜共振子
を集積回路内に組み込む場合には、Ｓ　ｉ　、　ＣａＡ
ｓ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。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図、第２図は第
１図Ａ−Ａ’線部分を縦断し矢印方向に視た断面図、８
ｇ３図はこの発明の他の実施例を示す断面図、第４図お
よび第５図は従来の圧電薄膜共振子を示し第４図は斜視
図、？Ｘ５図は第４図Ｂ−Ｂ′線部分を縦断し矢印方向
に視た断面図である。 １・・・基神　　　　　　２・・・誘電体膜２ａ〜２ｄ
・・・支持部　　　　３・・・下部電極３ａ、３ｂ、５
ａ、５ａ・・・バンド部　　４・・・圧電薄膜５．６・
・・上部電極　　　　７・・・空隙層７ａ・・・空隙口
　　　　１１−・誘電体膜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１！極２７・・・空隙口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、この基板との間に空隙層が形成され少な
   くとも３個の支持部によって基板上に支持して設けられ
   た非圧電薄膜と、この非圧電薄膜の上側に前記空隙層に
   対応した領域を含んで形成された圧電膜と、この圧電膜
   を挾み少なくとも一部が互いに対向して形成された少な
   くとも一対の電極とを備え、前記空隙層に少なくとも３
   個の開口部を有することを特徴とする圧電薄膜共振子。
2. （２）圧電薄膜はその上側に保護膜を形成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電薄膜共振子。