JPWO2008093514A1 - 圧電薄膜共振子 - Google Patents
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Abstract
一対の電極（１３，１５）の間に圧電薄膜（１４）を配置し、絶縁層（１２）および温度特性補償膜（１６）とともに振動部（２０）を構成し、振動部（２０）を支持部（２１，２２）を介して素子ウエハ（１１）上に支持するとともに振動部（２０）と素子ウエハ（１１）との間に空隙部Ｇａを設ける。この振動部（２０）の角を面取り形状とし、振動部（２０）の反りによる角部における上下方向の最大変位量を小さく抑える。これにより全体に小型化を図りながら特性劣化を回避し信頼性を確保する。
Description
この発明は、基板、圧電薄膜を有する振動部、および基板上で振動部を支持する支持部を備える圧電薄膜共振子に関するものである。
従来、機械的品質係数Ｑｍが高く、共振周波数が１〜１０ＭＨｚ程度の比較的低い周波数に設定でき、且つマイクロデバイスとして使用できる程度に小型化した拡がり振動型の圧電振動子が特許文献１に示されている。
図１は特許文献１に開示されている拡がり振動型圧電振動子９１の構成を示す図である。
図１において、拡がり振動型圧電振動子９１は、シリコン材料からなる基板９２と、該基板９２上に位置し、前後方向に対向して設けられたシリコン材料からなる一対の支持部９３，９３と、各支持部９３に対向する支持梁９４，９４を介して支持された振動部９５とを備えている。そして、振動部９５は各支持梁９４によって基板９２に対して上側に浮上した状態で支持されている。
図１において、拡がり振動型圧電振動子９１は、シリコン材料からなる基板９２と、該基板９２上に位置し、前後方向に対向して設けられたシリコン材料からなる一対の支持部９３，９３と、各支持部９３に対向する支持梁９４，９４を介して支持された振動部９５とを備えている。そして、振動部９５は各支持梁９４によって基板９２に対して上側に浮上した状態で支持されている。
一方、振動部９５は、シリコン材料によって形成され、振動板９６と、該振動板９６上に絶縁膜９７を介して設けられた圧電薄膜９８と、該圧電薄膜９８を上側表面と下側表面とにそれぞれ接触して配設された上側電極９９Ａと下側電極１００Ａとから構成されている。さらに、上側電極９９Ａ，下側電極１００Ａにそれぞれ導通し、外部からのリード線等を接続する端子部９９Ｂ，１００Ｂが支持部９３，９３に形成されている。また、下側電極１００の端子部１００Ｂ上にはコンタクトホール１００Ｃが形成されている。
特開平８−１８６４６７号公報
図１に示した拡がり振動型圧電振動子の振動部が平面視で長方形である場合、振動部９５は図２に示すような振動をする。
図２において実線（長方形）は振動前の状態、破線は振動時の最大変位の状態をそれぞれ示している。このように振動部の角部が最も大きく変位する。通常、複数の材料からなる薄膜構造体の振動子（振動部）は材料の剛性が弱く、また全体に薄いので振動部を構成する薄膜の応力により振動部が何らかの反りや撓みをもって振動する。このため、振動部の角部は下向きまたは上向きに変位し、下向きに変位して振動部の角部が基板に接触すると特性劣化を招くだけでなく振動部の変位量が大きい場合に角部が欠ける等、信頼性にも悪影響を与える。一方、上向きに反る場合、基板上部に大きな空間を確保しておく必要があり、たとえば低背化のためにチップサイズのパッケージングを行う場合に空間確保が難しく、振動部の角部が蓋部分に接触するおそれが生じる。
そこでこの発明の目的は、上述の問題を解消して特性劣化を回避し信頼性を確保した小型の圧電薄膜共振子を提供することにある。
前記課題を解決するためにこの発明は次のように構成する。
（１）基板と、一対の電極間に圧電薄膜が配置された振動部と、前記基板と前記振動部とを互いに接続するとともに前記基板と前記振動部との間に空隙部を設ける支持部と、を備えた圧電薄膜共振子において、前記振動部の角を面取り形状にしたことを特徴としている。
（１）基板と、一対の電極間に圧電薄膜が配置された振動部と、前記基板と前記振動部とを互いに接続するとともに前記基板と前記振動部との間に空隙部を設ける支持部と、を備えた圧電薄膜共振子において、前記振動部の角を面取り形状にしたことを特徴としている。
（２）例えば前記面取り形状は平面視で円弧状または直線状とする。
この発明によれば振動部の振動によって反りや撓みが生じても振動部の角部の最大変位量が小さくなって、基板または蓋と振動部の角部との間の空間を大きく確保しなくても、接触による特性劣化および信頼性低下の問題が解消できる。
そのため例えばチップサイズでパッケージングを行って低背化しても特性劣化を回避し信頼性を確保した小型の圧電薄膜共振子が得られる。
１００−圧電薄膜共振子
１１−素子ウエハ（基板）
１２−絶縁層
１３−下部電極
１４−圧電薄膜
１５−上部電極
１６−温度特性補償膜
１７ａ，１７ｃ−コンタクト
１７ｂ−封止部
１８−蓋ウエハ
１９−外部電極
２０−振動部
２１，２２−支持部
１１−素子ウエハ（基板）
１２−絶縁層
１３−下部電極
１４−圧電薄膜
１５−上部電極
１６−温度特性補償膜
１７ａ，１７ｃ−コンタクト
１７ｂ−封止部
１８−蓋ウエハ
１９−外部電極
２０−振動部
２１，２２−支持部
《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る圧電薄膜共振子について図３・図４を参照して説明する。
図３は第１の実施形態に係る圧電薄膜共振子の構成を示す図である。図３（Ａ）は断面図、図３（Ｂ）は分解斜視図である。
第１の実施形態に係る圧電薄膜共振子について図３・図４を参照して説明する。
図３は第１の実施形態に係る圧電薄膜共振子の構成を示す図である。図３（Ａ）は断面図、図３（Ｂ）は分解斜視図である。
この圧電薄膜共振子は、基板である素子ウエハ１１の上部に振動部２０およびこの振動部２０を素子ウエハ１１との間で空隙部Ｇａを設けるとともに支持する支持部２１，２２を形成している。素子ウエハ１１の上部には蓋ウエハ１８を配置するとともに、素子ウエハ１１と蓋ウエハ１８との間を封止部１７ｂで封止して、振動部２０の上部にも空隙部Ｇｂを設けている。
素子ウエハ１１はシリコンウエハである。特性劣化を防ぐために、素子との間にＳｉＯ2層を形成するなど、絶縁処理をしておくことが望ましい。また、シリコン以外に絶縁性の高いガラス基板、水晶基板、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3などのセラミック基板を用いてもよい。図３に示す例では、素子ウエハ１１の上部にはＳｉＯ2からなる絶縁層１２を設け、この絶縁層１２の上にＰｔからなる下部電極１３を形成し、絶縁層１２および下部電極１３の上部にＡｌＮからなる圧電薄膜１４を形成している。さらにこの圧電薄膜１４の上部にＰｔからなる上部電極１５を形成している。
圧電薄膜１４および上部電極１５の上面にはＳｉＯ2からなる温度特性補償用の温度特性補償膜１６を設けている。封止部１７ｂ、コンタクト１７ａ，１７ｃは共にＣｕ，Ｓｎ等の金属材料からなる。コンタクト１７ａは、蓋ウエハ１８に形成したコンタクトホールを介して外部電極１９ａと上部電極１５の引き出し部とを導通させ、コンタクト１７ｃは、外部電極１９ｃと下部電極１３の引き出し部とを導通させる。また封止部１７ｂは、素子ウエハ１１と蓋ウエハ１８との周囲を囲む部分を封止するとともに、外部電極１９ｂ，１９ｄは封止部１７ｂに導通する。この外部電極１９ｂ，１９ｄは接地端子として作用する。
蓋ウエハ１８とコンタクト１７ａとの間は絶縁されていることが望ましい。また、素子ウエハ１１側にコンタクトを形成してもよい。
図４は第１の実施形態に係る圧電薄膜共振子の振動部の平面図である。図中実線で示す形状は振動前の状態（輪郭線）であり、破線は振動時の最も変位した状態を示している。
図４に示すように振動部２０の角部分Ｒを１／４円弧状の面取り形状としている。このようなラウンド状の面取り形状であるので、振動部２０の上下方向への反り（撓み）による角部の上下方向の変位量が小さくなるので、振動部２０の上下の空隙が狭くても接触による問題が生じない。
この振動部２０の角に丸みをつけることによる特性変動を調べたところ、振動部２０の寸法が３９６×２６６μｍの場合に半径６０μｍのラウンドを付けても電気的特性の劣化が生じないことが分かった。相対的には、ラウンドの半径が振動部２０の長辺方向の寸法の０．１５倍（６０／３９６）または振動部２０の短辺方向の寸法の０．２３倍（６０／２６６）以下であれば特性上問題が生じないと言える。
なお、平面的な面取りだけでなく、素子断面を見たときに面取りされているとより効果的である。また、平面的な面取り形状は円弧だけでなく任意の曲線で形成されていてもよい。
《第２の実施形態》
図５は第２の実施形態に係る圧電薄膜共振子の振動部２０の平面図である。図５に示すように、振動部２０の４つの角部を４５°方向に切り落とした斜辺Ｓを有する面取り形状としている。これによりそれぞれが９０°以上の角度を有する８個の角部を備えることになる。
図５は第２の実施形態に係る圧電薄膜共振子の振動部２０の平面図である。図５に示すように、振動部２０の４つの角部を４５°方向に切り落とした斜辺Ｓを有する面取り形状としている。これによりそれぞれが９０°以上の角度を有する８個の角部を備えることになる。
このような形状であっても第１の実施形態の場合と同様に、振動部２０の上下方向への反り（撓み）による角部の上下方向の変位量が小さくなるので、振動部２０の上下の空隙が狭くても接触による問題が生じない。
この振動部２０の角を直線状の面取り形状にすることによる特性変動を調べたところ、振動部２０の寸法が３９６×２６６μｍの場合に、斜辺の寸法を８５μｍにしても電気的特性の劣化が生じないことが分かった。相対的には、斜辺の寸法が振動部２０の長辺方向の寸法の０．２１倍（８５／３９６）または振動部２０の短辺方向の寸法の０．３２倍（８５／２６６）以下であれば特性上問題が生じないと言える。
なお、角の面取りは、この形状に限るものではなく、２辺以上の直線で面取りしてもよい。
Claims (3)
- 基板と、一対の電極間に圧電薄膜が配置された振動部と、前記基板と前記振動部とを互いに接続するとともに前記基板と前記振動部との間に空隙部を設ける支持部と、を備えた圧電薄膜共振子において、
前記振動部の角を面取り形状にしたことを特徴とする圧電薄膜共振子。 - 前記面取り形状は平面視で円弧状である請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記面取り形状は平面視で直線状である請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
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