(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の一面に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜上に形成された第１の上部電極と
を備えた薄膜圧電素子において、
さらに、
前記第１の上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記第１の上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成され、前記第１の上部電極よりも質量負荷が大きい第２の上部電極を備え、
前記圧電薄膜は、高域遮断形の分散特性を有し、
前記第１及び第２の上部電極は一体的に形成され、前記第２の上部電極の厚みは、前記第１の上部電極よりも大きい
ことを特徴とする薄膜圧電素子。
【請求項２】
基板と、
前記基板の一面に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜上に形成された第１の上部電極と
を備えた薄膜圧電素子において、
さらに、
前記第１の上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記第１の上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成され、前記第１の上部電極よりも質量負荷が大きい第２の上部電極を備え、
前記圧電薄膜は、高域遮断形の分散特性を有し、
前記第１の上部電極の上の一部に、前記第２の上部電極を重ねた
ことを特徴とする薄膜圧電素子。
【請求項３】
基板と、
前記基板の一面に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜上に形成された第１の下部電極と
を備えた薄膜圧電素子において、
さらに、
前記第１の上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記第１の上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成され、前記第１の上部電極よりも質量負荷が大きい第２の上部電極を備え、
前記圧電薄膜は、高域遮断形の分散特性と有し、
前記第１の上部電極の上に、前記第１の上部電極よりも幅が狭い前記第２の上部電極を重ねた
ことを特徴とする薄膜圧電素子。
【請求項４】
前記第１及び第２の上部電極は、２つに分かれていることを特徴とする請求項１記載から請求項３までのいずれかに記載の薄膜圧電素子。
【請求項５】
さらに、前記２つに分かれた第１の上部電極の間の前記圧電薄膜上に形成された第３の上部電極を備えたことを特徴とする請求項４記載の薄膜圧電素子。
【請求項６】
前記基板は、半導体基板あるいは誘電体基板であることを特徴とする請求項１記載から請求項３までのいずれかに記載の薄膜圧電素子。
【請求項７】
前記圧電薄膜は、ポアソン比が０．３４より小さいことを特徴とする請求項１記載から請求項３までのいずれかに記載の薄膜圧電素子。
【請求項８】
前記圧電薄膜は、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）を主成分とすることを特徴とする請求項１記載から請求項３までのいずれかに記載の薄膜圧電素子。
【請求項９】
前記基板と前記下部電極の間に誘電体層を挿入することを特徴とする請求項１記載から請求項３までのいずれかに記載の薄膜圧電素子。
【請求項１０】
基板と、
前記基板の一面に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜上に形成された上部電極と
を備えた薄膜圧電素子において、
さらに、
前記上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成された誘電体を備え、
前記圧電薄膜は、高域遮断形の分散特性を有し、
前記誘電体は、前記上部電極上の一部に形成された
ことを特徴とする薄膜圧電素子。
【請求項１１】
基板と、
前記基板の一面に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜上に形成された上部電極と
を備えた薄膜圧電素子において、
さらに、
前記上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成された誘電体を備え、
前記圧電薄膜は、高域遮断形の分散特性を有し、
前記上部電極の上の一部に、前記誘電体を重ねた
ことを特徴とする薄膜圧電素子。
【請求項１２】
基板と、
前記基板の一面に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜上に形成された上部電極と
を備えた薄膜圧電素子において、
さらに、
前記上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成された誘電体を備え、
前記圧電薄膜は、高域遮断形の分散特性を有し、
前記上部電極の上に、前記上部電極よりも幅が狭い前記誘電体を重ねた
ことを特徴とする薄膜圧電素子。
【請求項１３】
前記上部電極と前記誘電体は、２つに分かれていることを特徴とする請求項１０記載から請求項１２までのいずれかに記載の薄膜圧電素子。
【請求項１４】
さらに、前記２つに分かれた第１の上部電極の間の前記圧電薄膜上に形成された第２の上部電極を備えたことを特徴とする請求項１３記載の薄膜圧電素子。
【請求項１５】
前記基板は、半導体基板あるいは誘電体基板であることを特徴とする請求項１０記載から請求項１２までのいずれかに記載の薄膜圧電素子。
【請求項１６】
前記圧電薄膜は、ポアソン比が０．３４より小さいことを特徴とする請求項１０記載から請求項１２までのいずれかに記載の薄膜圧電素子。
【請求項１７】
前記圧電薄膜は、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）を主成分とすることを特徴とする請求項１０記載から請求項１２までのいずれかに記載の薄膜圧電素子。
【請求項１８】
前記基板と前記下部電極の間に誘電体層を挿入することを特徴とする請求項１０記載から請求項１２までのいずれかに記載の薄膜圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、弾性波を利用した共振器、フィルタ等の薄膜圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜圧電素子は、圧電体材料が電気信号と弾性波との変換作用を行うことを利用して、共振器やフィルタとして動作するものである。
【０００３】
従来の薄膜圧電素子について図面を参照しながら説明する。図３４及び図３５は、例えば、”Fundamental mode VHS/UHF bulk acoustic wave resonators and filters on silicon煤C１９８０，ＩＥＥＥ，Ultrasonics symposium，ＰＰ．８２９−８３３（以下、文献１と記す）に示された従来の薄膜圧電素子の構成を示す図である。図３４は上面図、図３５は図３４の断面図である。
【０００４】
また、図３６及び図３７は、例えば、米国特許公報第４３２０３６５号（以下、文献２と記す）に示された従来の他の薄膜圧電素子の構成を示す図である。図３６は上面図、図３７は図３６の断面図である。
【０００５】
図３４〜図３７において、１はシリコン基板、２は下部電極、３は圧電薄膜、４は上部電極、５はバイアホール、６は音響的共振部である。
【０００６】
薄膜圧電素子の特性は、音響的共振部６に大きく依存する。図３８は、図３５に示した音響的共振部６を拡大して示したものである。ここでは、簡単のため、下部電極２は、上部電極４と同じ大きさにして示しているが、実際の薄膜圧電素子では、図３５に示すように、下部電極２と上部電極４の大きさは異なる。
【０００７】
図３８において、上部電極４に覆われた圧電薄膜３の領域を電極部圧電体７ａとし、上部電極４の外側の圧電薄膜３の領域を無電極部圧電体７ｂとする。電極部圧電体７ａにおける弾性波の係数を「ｋm」とし、無電極部圧電体７ｂにおける弾性波の係数を「ｋf」とする。
【０００８】
上部電極４と下部電極２との間に、電気信号が印加されると、上部電極４と下部電極２との間に電界が生じる。圧電薄膜３は、電界を与えると伸縮する性質があるので、印加された電気信号に対応した弾性振動が励起される。このとき、印加された電界の方向に対して、どのような振動成分の弾性振動が励起されるかは、使用する圧電薄膜３の材質や結晶方位によって決まる。従来の薄膜圧電素子では、圧電薄膜３に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。
【０００９】
上部電極４と下部電極２との間に印加された電界によって、電極部圧電体７ａは弾性振動を励起し、厚み方向に伝搬する弾性波と、表面に平行な方向に伝搬する弾性波とが励振される。このとき、上部電極４の上側の面、および、下部電極２の下側の面は、大気と接するので、上記厚み方向に伝搬する弾性波は、これらの大気と接する面でほぼ完全反射される。一方、表面に平行な方向に伝搬する弾性波は、電極部圧電体７ａと無電極部圧電体７ｂとで、伝搬特性が異なる性質を示す。
【００１０】
図３９は、例えば、「弾性波素子技術ハンドブック」、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会編、ＰＰ．８２−８７、１９９１（以下、文献３と記す）に示されている弾性波の伝搬特性を示す図である。同図において、横軸は圧電薄膜３の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の波数であり、縦軸の右側は波数が実数となる領域、縦軸の左側は波数が虚数となる領域である。縦軸は周波数である。実数で示す８は、電極部圧電体７ａ中を伝搬する弾性波の分散特性を示し、破線で示す９は、無電極部圧電体７ｂ中を伝搬する弾性波の分散特性を示す。
【００１１】
図３９において、波数が実数であることは、上記圧電薄膜３表面に平行な方向に伝搬可能な伝搬域であることを示し、波数が虚数であることは、上記圧電薄膜３表面に平行な方向に伝搬不能な遮断域であることを示す。縦軸と交差する周波数は、上記圧電薄膜３の厚み方向に共振した場合の周波数、すなわち、厚み共振周波数を示しており、この厚み共振周波数を境界にして、伝搬域と遮断域に分かれるため、上記厚み共振周波数を遮断周波数と言う。ここでは、電極部圧電体７ａ中を伝搬する弾性波の遮断周波数を「ｆ0m」とし、無電極部圧電体７ｂ中を伝搬する弾性波の遮断周波数を「ｆ0f」とする。一般に、電極部圧電体７ａは、上部電極４と下部電極２の厚み分だけ、無電極部圧電体７ｂの厚みより、厚み共振する距離が長くなり、かつ、上部電極４と下部電極２の質量負荷による影響を強く受けるため、電極部圧電体７ａの遮断周波数「ｆ0m」は、無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f」より低くなる。
【００１２】
図３９に示した特性は、遮断周波数より高い周波数域では伝搬域となり、遮断周波数より低い周波数域では遮断域となる。このように、遮断周波数より低い周波数で遮断域となるような特性を、「低域遮断形分散特性」と言い、従来から広く使われている酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、このような低域遮断形分散特性を有している。
【００１３】
このような低域遮断形分散特性を有する圧電薄膜３を用いた場合、励振される弾性波の周波数が高く、電極部圧電体７ａの波数「ｋm」と無電極部圧電体７ｂの波数「ｋf」とが共に実数の場合は、電極部圧電体７ａで励振された弾性波は、上記圧電薄膜３表面に平行な方向に伝搬し、無電極部圧電体７ｂをそのまま伝搬する。
【００１４】
一方、周波数ｆが、電極部圧電体７ａの厚み共振周波数「ｆ0m」と、無電極部圧電体７ｂの厚み共振周波数「ｆ0f」との中間の場合は、電極部圧電体７ａでは伝搬域であるのに対して、無電極部圧電体７ｂでは遮断域となる。このため、電極部圧電体７ａと無電極部圧電体７ｂの境界面で、表面に平行な方向に伝搬する弾性波は反射され、弾性波のエネルギーが電極部圧電体７ａ中に閉じ込められる。この現象を「エネルギー閉じ込め」と言い、弾性波のエネルギーが電極部以外に逃げないため、共振の性能を表わすＱ値の高い共振器を実現できる利点がある。従来の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いた薄膜圧電素子は、エネルギー閉じ込めを利用して、Ｑ値の高い共振器を得ることができた。
【００１５】
しかし、「弾性波素子技術ハンドブック」、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会編、ｐｐ．１２５−１２９、１９９１（以下、文献４と記す）に示されているように、圧電セラミクスで広く使われているジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）等の鉛系圧電材料の電気機械結合係数「ｋt」が０．４〜０．８であるのに対し、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は電気機械結合係数「ｋt」が約０．３と小さい。電気機械結合係数が小さいと、共振器にした場合の容量比が大きくなり、例えば、上記共振器を使用して電圧可変発振器を構成した場合には、可変周波数範囲が狭くなる。また、フィルタを構成した場合には、電気機械結合係数が小さいと、同じ挿入損失で実現できる帯域幅が狭くなるという問題が生じる。すなわち、電気機械結合係数が小さい酸化亜鉛等の材料では、共振器やフィルタ等の素子を構成する場合に、素子性能に大きな制限があるという問題がある。
【００１６】
これに対して、例えば、代表的な鉛系圧電セラミクスのチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）は、大きな電気機械結合係数「ｋt」を有するが、図４０に示すような高域遮断形の分散特性を示す。すなわち、遮断周波数よりも高い周波数域が遮断域となり、遮断周波数よりも低い周波数域が伝搬域となる。周波数ｆが、電極部圧電体７ａの遮断周波数「ｆ0m」よりも高く、無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f」よりも低い場合、電極部圧電体７ａでは遮断域となり、無電極部圧電体７ｂでは伝搬域となるため、エネルギーを電極部圧電体７ａに閉じ込めることができず、励振された弾性波のエネルギーは無電極部圧電体７ｂの方に伝搬して逃げてしまう。これは大きな損失になる。
【００１７】
このような高域遮断形の圧電体を用いて、圧電素子を実現する方法として、例えば、文献３中には、図４１に示す方法が述べられている。すなわち、電極部圧電体７ａの厚み「ｈ2」を、無電極部圧電体７ｂの厚み「ｈ1」よりも薄くして、そこに上部電極４と下部電極２を構成している。なお、図４１に示す従来の圧電素子の例は、薄膜圧電素子ではなく、焼結した圧電セラミクスの板材を用いた数十ＭＨｚ帯以下の周波数で用いられる圧電素子である。
【００１８】
図４２は、図４１に示した従来の圧電素子の動作を説明するための分散特性を示す図である。圧電体３の厚さが同じでその厚さが全て「ｈ1」である場合、無電極部圧電体７ｂの遮断周波数は「ｈ0f」であり、両面に電極を付けた場合の遮断周波数は「ｆ0m1」となり、電極の質量負荷の影響等により、無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f」より低くなる。これに対して、圧電体３の厚さを無電極部圧電体７ｂより薄くすると、電極部圧電体７ａの遮断周波数「ｆ0m2」は高くなる。これは、厚み共振する共振長が圧電体の厚さ「ｈ2」に依存して変化するためである。ある適切な厚さ「ｈ2」を選択すれば、電極部圧電体７ａの遮断周波数「ｆ0m2」は、無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f」よりも高くすることができる。
【００１９】
この場合、電極部圧電体７ａの分散特性８は、無電極部圧電体７ｂの分散特性９よりも同じ波数で高い周波数を示すようにできる。このため、無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f」よりも高く、電極部圧電体７ａの遮断周波数「ｆ0m2」よりも低い周波数では、電極部圧電体７ａは伝搬域、無電極部圧電体７ｂは遮断域となるように動作する。すなわち、弾性波のエネルギーを電極部圧電体７ａに閉じ込めることができ、損失の小さい圧電素子を実現できる。
【００２０】
図４３及び図４４は、例えば、「圧電反作用の制御による周波数上昇形エネルギー閉じ込め」、電子通信学会論文誌、’７９／１、Ｖｏｌ．Ｊ６２−Ａ、Ｎｏ．１、ＰＰ．８−１５、（以下、文献５と記す）に示された従来の他の圧電素子の例を示す図である。図４３は上面図、図４４は断面図である。ここでは、上部電極４、下部電極２が円形の場合を示している。
【００２１】
この場合も、薄膜圧電素子ではなく、焼結した圧電セラミクスの板材を用いた数十ＭＨｚ帯以下の周波数で用いられる圧電素子である。電極部圧電体７ａは分極処理され、無電極部圧電体７ｂは分極処理されていない。また、上部電極４と電気端子１２ａとの間に直列にコンデンサ１１が挿入されている。
【００２２】
図４５は、図４３及び図４４に示した従来の圧電素子の動作を説明するための分散特性を示す図である。同図において、１３は分極された場合の無電極部圧電体の分散特性、１４は分極されない場合の無電極部圧電体の分散特性、１５は電気端子から見込んだ場合の分散特性である。
【００２３】
チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）のような鉛系圧電セラミクスの多くは、圧電体３に対して、加熱しながら直流電圧を印加することにより、圧電体３内部の分極を揃えることができる。このため、分極処理する圧電体３の領域を限定することができ、図４３及び図４４に示した例では、電極部圧電体７ａのみを分極処理し、無電極部圧電体７ｂは分極処理しない。文献５中で述べられているように、分極されていない無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f2」は、分極処理した場合の遮断周波数「ｆ0f1」よりも周波数低下し、分散特性１３となる。
【００２４】
また、上部電極４と電気端子１２ａとの間に、適切な容量のコンデンサ１１を挿入することにより、実効的に、電気端子１２ａから見込んだ電極部圧電体７ａの厚み共振周波数「ｆ0m2」を、電極部圧電体７ａの遮断周波数「ｆ0m1」より高くすることができ、分散特性１５となる。このため、電気端子１２ａから見込んだ場合の動作は、電極部圧電体７ａは分散特性１５、無電極部圧電体７ｂは分散特性１３となるため、周波数ｆが無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f2」より高く、電気端子１２ａから見込んだ電極部圧電体７ａの厚み共振周波数「ｆ0m2」より低い場合は、電極部圧電体７ａでは伝搬域、無電極部圧電体７ｂでは遮断域となり、エネルギー閉じ込めが実現できる。
【００２５】
図４６及び図４７は、例えば、文献５に示された従来の他の圧電素子の例を示す図である。図４６は上面図、図４７は断面図である。ここでは、上部電極４、下部電極２が円形の場合を示している。
【００２６】
この場合も、薄膜圧電素子ではなく、焼結した圧電セラミクスの板材を用いた数十ＭＨｚ帯以下の周波数で用いられる圧電素子である。同図において、１６は短絡電極であり、１７は短絡電極部圧電体である。文献５に示された例では、短絡電極部圧電体１７は分極処理されている。上部電極４の外側に短絡電極１６がわずかな間隔を置いて構成され、短絡電極１６は下部電極２と電気的に短絡されている。また、上部電極４と電気端子１２ａとの間に直列にコンデンサ１１が挿入されている。
【００２７】
図４８は、図４６及び図４７に示した従来の他の圧電素子の動作を説明するための分散特性を示す図である。同図において、１８は短絡電極部圧電体１７の分散特性である。
【００２８】
文献５中で述べられているように、表面を短絡電極１６と下部電極２で覆われた短絡電極部圧電体１７の遮断周波数「ｆ0f2」は、表面が自由表面である無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f1」よりも周波数低化し、分散特性１８となる。
【００２９】
また、上部電極４と電気端子１２ａとの間に、適切な容量のコンデンサ１１を挿入することにより、実効的に、電気端子１２ａから見込んだ電極部圧電体７ａの厚み共振周波数「ｆ0m2」を、電極部圧電体７ａの遮断周波数「ｆ0m1」より高くすることができ、分散特性１５となる。このため、電気端子１２ａから見込んだ場合の動作は、電極部圧電体７ａは分散特性１５、短絡電極部圧電体１７は分散特性１８となるため、周波数ｆが短絡電極部圧電体１７の遮断周波数「ｆ0f2」より高く、電気端子１２ａから見込んだ電極部圧電体７ａの厚み共振周波数「ｆ0m2」より低い場合は、電極部圧電体７ａでは伝搬域、短絡電極部圧電体１７では遮断域となり、エネルギー閉じ込めが実現できる。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の薄膜圧電素子では、圧電薄膜に酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いていた。これらの圧電薄膜は、遮断周波数より高い周波数域では伝搬域となり、上記遮断周波数より低い周波数域では遮断域となる低域遮断形分散特性を示し、電極部圧電体７ａに弾性波のエネルギーを閉じ込めるエネルギー閉じ込めが実現でき、Ｑ値が高い共振器や損失の低いフィルタ等を実現できた。しかし、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、電気機械結合係数が小さく、共振器やフィルタを実現する場合に素子性能に大きな制限を受けるという問題点があった。
【００３１】
また、薄膜圧電素子ではないが、電気機械結合係数の大きい鉛系圧電セラミクスを用いて圧電素子を実現した場合は、使用する圧電体によって、遮断周波数より高い周波数域が遮断域となる高域遮断形分散特性を示すものがあり、このような場合、電極部圧電体７ａに弾性波のエネルギーを閉じ込めることができないため、十分な性能の圧電素子を実現できない欠点があった。
【００３２】
このような欠点を解決するために、従来、電極部圧電体７ａの厚みをその外側の無電極部圧電体７ｂより薄くする方法が知られているが、この方法を圧電薄膜３に適用するには、液体あるいはプラズマによるエッチングを行う必要がある。しかし、圧電薄膜は、厳密には、単結晶体である微細な粒子が集まって構成された多結晶構造であり、上記エッチング処理を行うと、この多結晶粒子の粒界面が現われる性質を有する。薄膜圧電素子は、数百ＭＨｚから数ＧＨｚ以上の周波数で動作させることを目的としているので、圧電薄膜における弾性波の波長は、ミクロンあるいはサブミクロン単位の極めて小さいものとなる。上記圧電薄膜に要求される表面の平滑度は、波長の数分の１から数十分の１以下であるから、上記薄膜圧電素子に必要な表面平滑度は極めて小さい。上記多結晶粒子の粒界の寸法は、数十ミクロンから数百ミクロンになる場合が多く、必要とされる表面平滑度より荒い。すなわち、薄膜圧電素子では、圧電薄膜の厚みを部分的に薄くすることが、製造上困難である。
【００３３】
また、図３５、図３７から明らかなように、薄膜圧電素子における圧電薄膜３は、バイアホール５によって浮いた構造となった電極部周辺を機械的に支える重要な構造材でもある。一方で、「ＥＣＲ−ＭＢＥ法による２０面サファイア基板上へのＺｎＯ薄膜のエピタキシャル成長」、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会第５２回研究会資料、ＰＰ．１−６、１９９７（以下、文献６と記す）、あるいは、「圧電体の面積を縮小したＧＨｚ帯薄膜バルク超音波フィルタ」、１９９７年電子情報通信学会基礎・境界ソサイエティ大会、Ａ−１１−６、ｐｐ．１６３、１９９７（以下、文献７と記す）に示されているように、圧電薄膜３内部には必ず内部応力が存在し、多くの場合、圧縮応力であるため、上記圧電薄膜を反らせるような応力が存在する。このため、上記圧電薄膜３を部分的に薄くするような構造にすると、厚みが薄くなる端面に応力が集中し、この端面で大きな変形が生じ、薄膜圧電素子の性能を著しく劣化させたり、薄膜圧電素子の破壊を招いたりする問題がある。
【００３４】
電極部圧電体７ａのみを分極処理し、無電極部圧電体７ｂを未分極とし、かつ、上部電極４に直列にコンデンサ１１を挿入することにより、実効的に、電気端子１２ａから見込んだ電極部圧電体７ａの厚み共振周波数「ｆ0m2」を、無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f2」よりも高くする方法が従来知られているが、これは、未分極の無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f1」が、分極処理した場合の無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f1」よりも必要な程度に低くなり、かつ、コンデンサ１１を挿入することにより、電気端子１２ａより見込んだ電極部圧電体７ａの厚み共振周波数「ｆ0m2」が、上記未分極の無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f2」よりも高くなる必要がある。しかし、これを実現できる条件は限られており、例えば、上部電極４に質量負荷効果の大きい金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）を用いた場合には、電極部圧電体７ａの遮断周波数「ｆ0m1」が、無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f2」よりもかなり低くなるため、コンデンサ１１を挿入しても、電気端子１２ａより見込んだ電極部圧電体７ａの厚み共振周波数「ｆ0m2」を、無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f2」より低くすることが困難である。
【００３５】
従来から低周波数で広く用いられているセラミクスを焼結して製造された圧電セラミクスでは、未分極の場合、各結晶粒子内の分極の方向が乱雑な方向であるため、圧電セラミクス全体として各結晶粒子内の分極が打ち消され、圧電性を示さない。一方、圧電薄膜３の場合は、各結晶粒子内の分極が乱雑であっても、全体的にある方向に分極を有する場合が多く、未分極でも弱い圧電性を示す。このため、セラミクスを焼結して製造された圧電セラミクスに比べて、未分極の場合と分極処理した場合の圧電薄膜の特性差が小さいため、未分極の無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f2」と、分極処理した場合の無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f1」との周波数差が小さく、電気端子１２ａより見込んだ電極部圧電体７ａの厚み共振周波数「ｆ0m2」を、無電極部圧電体７ｂの遮断周波数「ｆ0f2」より低くすることが困難である。
【００３６】
短絡電極１６を上部電極４の外側に形成する方法では、短絡電極１６と下部電極２とを電気的に短絡する必要がある。しかし、薄膜圧電素子のように、半導体プロセスを主体として製造する素子では、上記圧電薄膜３にスルーホールを開けて短絡電極１６と下部電極２とを接続する方法は、実現可能なスルーホール径が大きく、現実的な接続手段として用いることができない。また、圧電薄膜３の外側の端面で接続する方法は、圧電薄膜３の外側の端面から短絡電極１６の上部電極４側の端面まで距離があり、上部電極４側の短絡電極１６の端面における電位が、短絡電極１６の抵抗成分やリアクタンス成分により、接地電位とならないため、短絡電極部圧電体１７の分散特性が、短絡電極１６を接地電位とした場合の分散特性からずれる問題がある。特に、高周波数で用いる薄膜圧電素子では、この影響が大きく、設計した特性を実現できないという問題点があった。
【００３７】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、電気機械結合係数の大きな圧電薄膜を用いて、良好な性能を実現することができる薄膜圧電素子を得ることを目的とする。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
まず、この発明に係る薄膜圧電素子は、上部電極の上側等に厚みを大きくした第２の上部電極を設けたもので、以下の通りである。
【００３９】
この発明に係る薄膜圧電素子は、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された第１の上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記第１の上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記第１の上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成され、前記第１の上部電極よりも質量負荷が大きい第２の上部電極を備え、前記圧電薄膜が高域遮断形の分散特性を有し、前記第１及び第２の上部電極が一体的に形成され、前記第２の上部電極の厚みが、前記第１の上部電極よりも大きいものである。
【００４０】
この発明に係る薄膜圧電素子は、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された第１の上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記第１の上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記第１の上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成され、前記第１の上部電極よりも質量負荷が大きい第２の上部電極を備え、前記圧電薄膜が高域遮断形の分散特性を有し、前記第１の上部電極の上の一部に、前記第２の上部電極を重ねたものである。
【００４１】
この発明に係る薄膜圧電素子は、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された第１の上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記第１の上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記第１の上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成され、前記第１の上部電極よりも質量負荷が大きい第２の上部電極を備え、前記圧電薄膜が高域遮断形の分散特性を有し、前記第１の上部電極の上に、前記第１の上部電極よりも幅が狭い前記第２の上部電極を重ねたものである。
【００４２】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、前記第１及び第２の上部電極が、２つに分かれているものである。
【００４３】
また、この発明に係る薄膜圧電素子は、さらに、前記２つに分かれた第１の上部電極の間の前記圧電薄膜上に形成された第３の上部電極を備えたものである。
【００４４】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、前記基板を、半導体基板あるいは誘電体基板としたものである。
【００４５】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、前記圧電薄膜のポアソン比を、０．３４より小さいとしたものである。
【００４６】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、前記圧電薄膜が、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）を主成分とするものである。
【００４７】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、前記基板と前記下部電極の間に誘電体層を挿入するものである。
【００４８】
次に、この発明に係る薄膜圧電素子は、上部電極の上側等に誘電体を設けたもので、以下の通りである。
【００４９】
この発明に係る薄膜圧電素子は、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成された誘電体を備え、前記圧電薄膜が、高域遮断形の分散特性を有し、前記誘電体が、前記上部電極上の一部に形成されたものである。
【００５０】
この発明に係る薄膜圧電素子は、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成された誘電体を備え、前記圧電薄膜が、高域遮断形の分散特性を有し、前記上部電極の上の一部に、前記誘電体を重ねたものである。
【００５１】
この発明に係る薄膜圧電素子は、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成された誘電体を備え、前記圧電薄膜が、高域遮断形の分散特性を有し、前記上部電極の上に、前記上部電極よりも幅が狭い前記誘電体を重ねたものである。
【００５２】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、前記上部電極と前記誘電体が、２つに分かれているものである。
【００５３】
また、この発明に係る薄膜圧電素子は、さらに、前記２つに分かれた第１の上部電極の間の前記圧電薄膜上に形成された第２の上部電極を備えたものである。
【００５４】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、前記基板を、半導体基板あるいは誘電体基板としたものである。
【００５５】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、前記圧電薄膜のポアソン比が０．３４より小さいものである。
【００５６】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、前記圧電薄膜を、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）を主成分とするものである。
【００５７】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、前記基板と前記下部電極の間に誘電体層を挿入するものである。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の各実施例について図面に基づき説明する。
【００５９】
まず、上部電極の上側等に厚みを大きくした第２の上部電極を設けた薄膜圧電素子について、以下の実施例１〜６として説明する。
【００６０】
実施例１．
この発明の実施例１に係る薄膜圧電素子について図１から図４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施例１に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。また、図２は、この発明の実施例１に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００６１】
図１及び図２において、１９は半導体基板あるいは誘電体基板、２は下部電極、３は圧電薄膜、４は上部電極、５はバイアホール、６は音響的共振部、２０は上部電極４の厚みを大きくした上部電極、２１はエアブリッジ、２２はパッドである。
【００６２】
半導体基板あるいは誘電体基板１９は、薄膜圧電素子の音響的な特性には直接関係しないため、従来から用いられているシリコン（Ｓｉ）半導体基板、ガリウムひ素（ＧａＡｓ）半導体基板のような半導体基板でも、ガラス、サファイア、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のような半導体特性のない絶縁性の誘電体基板のいずれでもよい。特に、シリコン（Ｓｉ）基板、ガリウムひ素（ＧａＡｓ）基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板は、耐高温特性がよく、優れた基板材料である。以下、半導体基板あるいは誘電体基板１９を総称して半導体基板１９と記す。
【００６３】
この半導体基板１９の上に、下部電極２を形成する。半導体基板１９と下部電極２との間に、酸化シリコン（ＳｉＯ、ＳｉＯ2）や窒化シリコン（ＳｉＮ）等の誘電体層を挿入する場合もある。これは、以下に示す全ての実施例についても同様である。下部電極２の上に、圧電薄膜３を形成し、さらに圧電薄膜３の上に上部電極４を形成する。
【００６４】
エアブリッジ２１は、上部電極４とパッド２２とを電気的に接続するために用いるが、圧電薄膜３表面に密着した線路を用いてパッド２２と接続する場合もある。
【００６５】
半導体基板１９の裏面からバイアホール５を形成し、下部電極２の下側の面が空気に接する構造とする。前記誘電体層を挿入する場合は、前記誘電体層も取り除いて下部電極２の下側の面が空気に接するようにする場合と、前記誘電体層の下側の面が空気に接するようにする場合とがある。これらの構造は、従来の薄膜圧電素子と同じである。
【００６６】
しかし、この実施例１に係る薄膜圧電素子は、圧電薄膜３に高域遮断形の分散特性を有する材料を用い、かつ、上部電極４の外側に、厚くした上部電極２０の領域を形成している。
【００６７】
図３は、図２に示した音響的共振部６を拡大した図である。同図において、２３ａは薄い方の上部電極４部の圧電体、２３ｂは厚い上部電極２０部の圧電体、２３ｃは無電極部圧電体、２６は閉じ込め共振の反射面である。
【００６８】
図４は、図３に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。同図において、２４は薄い上部電極部圧電体２３ａの分散特性、２５は厚い上部電極部圧電体２３ｂの分散特性である。
【００６９】
図３に示した薄膜圧電素子の下部電極２と、図２に示した薄膜圧電素子の下部電極２とは、構造が異なるが、図３に示した下部電極２の方が簡略化して示してあり、実際の薄膜圧電素子は、図２に示す構造をしている。
【００７０】
圧電薄膜３には、高域遮断形の分散特性を示す材料を用いる。例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）の基板厚み縦振動、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の３次厚みすべり振動、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）Ｚ板の基本厚み縦振動等の他に、ポアソン比σが１／３以下となる圧電体の基本厚み縦振動等が、高域遮断形の分散特性を示す。これらの圧電体は、極めて大きな電気機械結合係数を示し、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた従来の薄膜圧電素子に比べて、より良好な素子性能を実現できる。なお、ポアソン比σは、圧電体材料の特性を表わす材料定数の一種であり、例えば、「弾性波素子技術ハンドブック」、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会編、ｐｐ．１０−２１、１９９１（以下、文献８と記す）に詳しく説明されている。
【００７１】
薄い上部電極部圧電体２３ａの遮断周波数「ｆ0m1」は、上部電極４と下部電極２の厚みと質量負荷効果のために、無電極部圧電体２３ｃの遮断周波数「ｆ0f」より低くなる。
【００７２】
また、上部電極４の外側の領域の電極厚を厚くし、厚い上部電極２０を形成すると、厚い上部電極部圧電体２３ｂの遮断周波数「ｆ0m2」は、厚い上部電極２０の厚みと質量負荷効果のために、薄い上部電極部圧電体２３ａの遮断周波数「ｆ0m1」よりもさらに低くなる。
【００７３】
このため、薄い上部電極部圧電体２３ａの遮断周波数「ｆ0m1」と、厚い上部電極部圧電体２３ｂの遮断周波数「ｆ0m2」との間の周波数域では、薄い上部電極部圧電体２３ａ中では伝搬域となり、厚い上部電極部圧電体２３ｂ中では遮断域となるので、薄い上部電極部圧電体２３ａと厚い上部電極部圧電体２３ｂとの境界面が反射面２６となって、弾性波のエネルギーを閉じ込め、閉じ込め共振が実現できる。
【００７４】
従って、このような構造をとることにより、電気機械結合係数の大きいチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）等の圧電体を用いて、エネルギー閉じ込めを実現できるため、素子性能がより良好な薄膜圧電素子を実現できる。
【００７５】
実施例２．
この発明の実施例２に係る薄膜圧電素子について図５〜図７を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施例２に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。また、図６は、この発明の実施例２に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。さらに、図７は、図６に示した音響的共振部を拡大して示した図である。なお、この実施例２に係る薄膜圧電素子は、２電極構成のフィルタの例である。
【００７６】
図７の薄膜圧電素子の分散特性は、図４に示した分散特性と同じである。圧電薄膜３は高域遮断形の分散特性を示し、厚い上部電極部圧電体２３ｂの遮断周波数「ｆ0m2」は、薄い上部電極部圧電体２３ａの遮断周波数「ｆ0m1」よりも低くなる。
【００７７】
このため、薄い上部電極部圧電体２３ａの遮断周波数「ｆ0m1」と、厚い上部電極部圧電体２３ｂの遮断周波数「ｆ0m2」との間の周波数域では、薄い上部電極部圧電体２３ａ中では伝搬域となり、厚い上部電極部圧電体２３ｂ中では遮断域となるので、薄い上部電極部圧電体２３ａと厚い上部電極部圧電体２３ｂとの境界面が反射面２６となって、弾性波のエネルギーを閉じ込め、閉じ込め共振が実現できる。
【００７８】
閉じ込め共振では、圧電薄膜３の表面に平行な方向に共振を起こし、フィルタの場合は、上部電極４が２つに分かれているので、２つの上部電極４が同じ電位になる対称モードの共振と、逆極性となる非対称モードの共振が生じる。そして、対称モード共振を起こす共振周波数と、非対称モード共振を起こす共振周波数とが接近する場合に、２つの上部電極４間で結合が生じ、フィルタ特性を示すようになる。
【００７９】
２つの共振モードの共振周波数は、使用する圧電薄膜３の種類と、上部電極４の間隔と、薄い上部電極４の物理寸法と、厚い上部電極２０の物理寸法と、電極材料によって決まる。エネルギー閉じ込めを用いたフィルタ動作については、文献３中に詳しく述べられている。
【００８０】
フィルタの場合、閉じ込め共振が起きないと、挿入損失が増大したり、帯域外に多くのスプリアスが発生したりするが、図７に示すような薄膜圧電素子を用いることにより、閉じ込め共振を実現し、電気機械結合係数の大きい圧電薄膜を用いることができることと合わせて、より低損失で良好な特性の薄膜圧電素子を実現できる。
【００８１】
実施例３．
この発明の実施例３に係る薄膜圧電素子について図８を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施例３に係る薄膜圧電素子の音響的共振部を拡大して示した図である。なお、この実施例３に係る薄膜圧電素子の他の構成は、実施例２と同様である。
【００８２】
図７に示す実施例２の場合と異なり、上部電極４の外側部分は、薄い上部電極４と同じ電極厚としている。閉じ込め共振は、反射面２６より内側で生じるため、反射面２６の外側に、薄い上部電極４が存在しても、原理的には、閉じ込め共振と関係なく、図８に示す薄膜圧電素子は、図７に示した薄膜圧電素子と同様の動作をする。
【００８３】
図３、図７及び図８に示したような上部電極４の一部の電極厚を厚くするには、予め、厚い上部電極２０の電極厚で上部電極を形成し、その後に、エッチング等の手段により、薄い上部電極４を形成する方法と、まず、薄い上部電極４を形成し、次に、リフトオフ等の方法で厚い上部電極部にさらに電極を重ね電極厚を厚く方法がある。この実施例３に係る薄膜圧電素子は、これらのいずれの製造法の場合でも適用できる。
【００８４】
参考例１．
この発明の参考例１に係る薄膜圧電素子について図９〜図１２を参照しながら説明する。図９は、この発明の参考例１に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。また、図１０は、この発明の参考例１に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。
【００８５】
図９及び図１０において、４は第１の上部電極、２７は第２の上部電極である。
【００８６】
図１１は、図１０に示した音響的共振部を拡大して示した図である。同図において、２８ａは第１の上部電極４部の圧電体、２８ｂは第２の上部電極２７部の圧電体、２８ｃは無電極部圧電体である。
【００８７】
図１２は、図１１に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。同図において、２９は第１の上部電極部圧電体２８ａの分散特性、３０は第２の上部電極部圧電体２８ｂの分散特性である。
【００８８】
第１の上部電極４の電極厚を「ｄ1」、密度を「ρ1」とし、第２の上部電極２７の電極厚を「ｄ2」、密度を「ρ2」とする。第１の上部電極４の電極厚「ｄ1」と密度「ρ1」の積（ｄ1ρ1）よりも、第２の上部電極２７の電極厚「ｄ2」と密度「ρ2」の積（ｄ2ρ2）の方が大きい場合、第１の上部電極部圧電体２８ａの遮断周波数「ｆ0m1」よりも第２の上部電極部圧電体２８ｂの遮断周波数「ｆ0m2」の方が低くなる。
【００８９】
このため、第１の上部電極部圧電体２８ａの遮断周波数「ｆ0m1」と第２の上部電極部圧電体２８ｂの遮断周波数「ｆ0m2」との間の周波数域でエネルギー閉じ込めを実現することができ、良好な性能の薄膜圧電素子を実現できる。
【００９０】
第２の上部電極２７が第１の上部電極４と同じ材料である場合は、第２の上部電極２７の電極厚「ｄ2」を第１の上部電極４の電極厚「ｄ1」より厚くする必要がある。
【００９１】
一方、異なる材料を用いれば、例えば、第１の上部電極４よりも第２の上部電極２７の方が密度が大きい場合には、第２の上部電極２７の電極厚「ｄ2」は、第１の上部電極４の電極厚「ｄ1」と同等か、あるいは、薄くできる場合もある。
【００９２】
実施例４．
この発明の実施例４に係る薄膜圧電素子について図１３及び図１４を参照しながら説明する。図１３は、この発明の実施例４に係る薄膜圧電素子の音響的共振部を拡大した部分を示す図である。また、図１４は、図１３に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。なお、この実施例４に係る薄膜圧電素子の他の構成は参考例１と同様である。
【００９３】
図１３において、３１は第１の上部電極４と第２の上部電極２７が重なった領域の圧電体である。
【００９４】
図１４において、３２は第１及び第２の上部電極が重なった領域の圧電体３１の分散特性である。
【００９５】
図１３に示した薄膜圧電素子では、閉じ込め共振の反射面２６は、第１の上部電極４の上に重なった第２の上部電極２７の端面の下側となる。この第１及び第２の上部電極が重なった領域の圧電体３１の遮断周波数「ｆ0m2」は、第１の上部電極４の電極厚「ｄ1」と質量負荷効果、第２の上部電極２７の電極厚「ｄ2」と質量負荷効果の両方により、第１の上部電極部圧電体２８ａの遮断周波数「ｆ0m1」より低い周波数になる。
【００９６】
このため、第１の上部電極部圧電体２８ａの遮断周波数「ｆ0m1」と第１及び第２の上部電極が重なった領域の圧電体３１の遮断周波数「ｆ0m2」との間の周波数域でエネルギー閉じ込めが生じる。すなわち、エネルギー閉じ込めによるフィルタ動作が実現できる。
【００９７】
図１３に示した薄膜圧電素子では、第２の上部電極２７の電極厚「ｄ2」や密度「ρ2」は、フィルタ動作上必要な程度に第１及び第２の上部電極が重なる領域の圧電体３１の遮断周波数「ｆ0m2」を低くできればよく、第１の上部電極４の電極厚「ｄ1」と密度「ρ1」に対する制限は、図１１に示した場合より緩い。これは、第１の上部電極４の上に、第２の上部電極２７を重ねた構造によるものである。
【００９８】
参考例２．
この発明の参考例２に係る薄膜圧電素子について図１５を参照しながら説明する。図１５は、この発明の参考例２に係る薄膜圧電素子の音響的共振部を拡大した部分を示す図である。なお、この参考例２に係る薄膜圧電素子の他の構成は参考例１と同様である。
【００９９】
図１５に示した薄膜圧電素子は、図１１に示した薄膜圧電素子における第１の上部電極４と第２の上部電極２７とを接続させたものに相当する。したがって、エネルギー閉じ込めの動作原理は、図１１に示した薄膜圧電体の場合と同じである。
【０１００】
このため、第２の上部電極２７による質量負荷は、第１の上部電極４による質量負荷よりも大きい必要がある。すなわち、第２の上部電極２７の電極厚「ｄ2」と密度「ρ2」の積（ｄ2ρ2）は、第１の上部電極４の電極厚「ｄ1」と密度「ρ1」の積（ｄ1ρ1）よりも大きい必要がある。
【０１０１】
このとき、第１の上部電極４と第２の上部電極２７とが同じ材料である場合は、密度が同じであるから、第２の電極２７の電極厚「ｄ2」が第１の電極４の電極厚「ｄ1」より厚い必要があり、これは、図７に示した実施例２に係る薄膜圧電体と同じ構造になる。
【０１０２】
実施例５．
この発明の実施例５に係る薄膜圧電素子について図１６を参照しながら説明する。図１６は、この発明の実施例５に係る薄膜圧電素子の音響的共振部を拡大した部分を示す図である。なお、この実施例５に係る薄膜圧電素子の他の構成は参考例１と同様である。
【０１０３】
この実施例５では、第２の上部電極２７全体を第１の上部電極４の上に重ねた構造としている。第１の上部電極４の上に第２の上部電極２７が重なった部分の分散特性は、図１４に示した分散特性と同じであるから、エネルギー閉じ込めの動作原理は、図１３に示した実施例４に係る薄膜圧電素子の場合とほぼ同じである。
【０１０４】
このため、図１６に示した薄膜圧電素子では、図１３に示した場合と同様に、第２の上部電極２７の電極厚「ｄ2」や密度「ρ2」は、フィルタ動作上必要な程度に第１及び第２の上部電極が重なる領域の圧電体３１の遮断周波数「ｆ0m2」を低くできればよく、第１の上部電極４の電極厚「ｄ1」と密度「ρ1」に対する制限は、図１５に示した参考例２の場合より緩い。これは、第１の上部電極４の上に、第２の上部電極２７を重ねた構造によるものである。
【０１０５】
実施例６．
この発明の実施例６に係る薄膜圧電素子について図１７を参照しながら説明する。図１７は、この発明の実施例６に係る薄膜圧電素子の音響的共振部を拡大した部分を示す図である。なお、この実施例６に係る薄膜圧電素子の他の構成は実施例５と同様である。
【０１０６】
図１７において、３３は第３の上部電極、３４は第３の上部電極部圧電体である。
【０１０７】
第３の上部電極３３は、薄膜圧電素子におけるフィルタ特性の設計の自由度を向上させるために挿入する。この第３の上部電極部圧電体３４の分散特性は、第１の上部電極部圧電体２８ａの分散特性に近い。すなわち、第３の上部電極部圧電体３４の遮断周波数「ｆ0m3」は、第１の上部電極部圧電体２８ａの遮断周波数「ｆ0m1」に近いものと考えてよい。
【０１０８】
したがって、図１７に示した薄膜圧電体の分散特性は、図１４を用いて考えればよい。つまり、エネルギー閉じ込めの反射面２６は、第２の上部電極２７を第１の上部電極４に重ねた内側の端面の下側となる。
【０１０９】
この発明は、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ポアソン比σが１／３以下となる圧電体に限定されることなく、高域遮断形の分散特性を示す全ての圧電体に適用できる。
【０１１０】
また、図１及び図２に示した共振器に、図１１、図１３、図１５、図１６に示した方法を適用してもよい。
【０１１１】
さらに、図１７に示したように、２電極構成よりも多くの電極により薄膜圧電素子が構成される場合でも、図７、図８、図１１、図１３、図１５、図１６に示した方法を適用できる。
【０１１２】
また、図１、図２及び図３では、エアブリッジ２１を用いて上部電極４から電気信号を取り出しているが、上部電極４から電気信号を取り出す方法は、エアフッジ２１に限定される必要はなく、圧電薄膜３表面に線路を構成する方法や他の任意の方法でよい。
【０１１３】
さらに、バイアホール５は、半導体基板１９裏面から穴をあける構造を示したが、これに限定される必要はなく、半導体基板１９表面から、異方性エッチング等の方法を用いて、音響的共振部６の下側に空隙を設ける方法でも、予め用意された薄膜をエッチング等による除去して層状の空隙を設ける方法でも、音響的性質の異なる層を数層重ねて、厚み方向に伝搬する弾性波を前記多層構造で反射する方法でも同じである。
【０１１４】
つづいて、上部電極の上側等に誘電体を設けた薄膜圧電素子について、以下の実施例７〜１１として説明する。
【０１１５】
実施例７．
この発明の実施例７に係る薄膜圧電素子について図１８から図２１までを参照しながら説明する。図１８は、この発明の実施例７に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。また、図１９は、この発明の実施例７に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【０１１６】
図１８及び図１９において、１９は半導体基板あるいは誘電体基板、２は下部電極、３は圧電薄膜、４は上部電極、５はバイアホール、６は音響的共振部、２０Ａは誘電体、２１はエアブリッジ、２２はパッドである。
【０１１７】
半導体基板あるいは誘電体基板１９は、薄膜圧電素子の音響的な特性には直接関係しないため、従来から用いられているシリコン（Ｓｉ）半導体基板、ガリウムひ素（ＧａＡｓ）半導体基板のような半導体基板でも、ガラス、サファイア、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のような半導体特性のない絶縁性の誘電体基板のいずれでもよい。特に、シリコン（Ｓｉ）基板、ガリウムひ素（ＧａＡｓ）基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板は、耐高温特性がよく、優れた基板材料である。以下、半導体基板あるいは誘電体基板１９を総称して半導体基板１９と記す。
【０１１８】
この半導体基板１９の上に、下部電極２を形成する。半導体基板１９と下部電極２との間に、酸化シリコン（ＳｉＯ、ＳｉＯ2）や窒化シリコン（ＳｉＮ）等の誘電体層を挿入する場合もある。これは、以下に示す全ての実施例についても同様である。下部電極２の上に、圧電薄膜３を形成し、さらに圧電薄膜３の上に上部電極４を形成する。
【０１１９】
エアブリッジ２１は、上部電極４とパッド２２とを電気的に接続するために用いるが、圧電薄膜３表面に密着した線路を用いてパッド２２を接続する場合もある。
【０１２０】
半導体基板１９の裏面からバイアホール５を形成し、下部電極２の下側の面が空気に接する構造とする。前記誘電体層を挿入する場合は、前記誘電体層も取り除いて下部電極２の下側の面が空気に接するようにする場合と、前記誘電体層の下側の面が空気に接するようにする場合とがある。これらの構造は、従来の薄膜圧電素子と同じである。
【０１２１】
しかし、この実施例７に係る薄膜圧電素子は、圧電薄膜３に高域遮断形の分散特性を有する材料を用い、かつ、上部電極４の外側に、誘電体２０Ａの領域を形成している。
【０１２２】
図２０は、図１９に示した音響的共振部６を拡大した図である。同図において、２３ａは上部電極４部の圧電体、２３ｂは誘電体２０Ａ部の圧電体、２３ｃは無電極部圧電体、２６は閉じ込め共振の反射面である。
【０１２３】
図２１は、図２０に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。同図において、２４は上部電極部圧電体２３ａの分散特性、２５は誘電体部圧電体２３ｂの分散特性である。
【０１２４】
図２０に示した薄膜圧電素子の下部電極２と、図１９に示した薄膜圧電素子の下部電極２とは、構造が異なるが、図２０に示した下部電極２の方が簡略化して示してある。また、図１９に示した薄膜圧電素子は、エアブリッジ２１と上部電極４とが電気的に接続されており、エアブリッジ２１と上部電極４との間に、誘電体２０Ａがない図を示しているが、図２０では誘電体２０Ａがある様に示されている。実際の薄膜圧電素子は、図１９に示す構造をしている。
【０１２５】
圧電薄膜３には、高域遮断形の分散特性を示す材料を用いる。例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）の基本厚み縦振動、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の３次厚みすべり振動、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）Ｚ板の基本厚み縦振動等の他に、ポアソン比σが１／３以下となる圧電体の基本厚み縦振動等が、高域遮断形の分散特性を示す。これらの圧電体は、極めて大きな電気機械結合係数を示し、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた従来の薄膜圧電素子に比べて、より良好な素子性能を実現できる。なお、ポアソン比σは、圧電体材料の特性を表わす材料定数の一種であり、例えば、「弾性波素子技術ハンドブック」、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会編、ｐｐ．１０−２１、１９９１（文献８）に詳しく説明されている。
【０１２６】
上部電極部圧電体２３ａの遮断周波数「ｆ0m」は、上部電極４と下部電極２の厚みと質量負荷効果のために、無電極部圧電体２３ｃの遮断周波数「ｆ0f1」より低くなる。
【０１２７】
また、上部電極４の上側の領域に誘電体２０Ａを形成すると、誘電体部圧電体２３ｂの遮断周波数「ｆ0f2」は、上部電極４と誘電体２０Ａの厚みと質量負荷効果のために、上部電極部圧電体２３ａの遮断周波数「ｆ0m」よりもさらに低くなる。
【０１２８】
このため、上部電極部圧電体２３ａの遮断周波数「ｆ0m」と、誘電体部圧電体２３ｂの遮断周波数「ｆ0f2」との間の周波数域では、上部電極部圧電体２３ａ中では伝搬域となり、誘電体部圧電体２３ｂ中では遮断域となるので、上部電極部圧電体２３ａと誘電体部圧電体２３ｂとの境界面が反射面２６となって、弾性波のエネルギーを閉じ込め、閉じ込め共振が実現できる。
【０１２９】
従って、このような構造をとることにより、電気機械結合係数の大きいチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）等の圧電体を用いて、エネルギー閉じ込めを実現できるため、素子性能がより良好な薄膜圧電素子を実現できる。
【０１３０】
実施例８．
この発明の実施例８に係る薄膜圧電素子について図２２〜図２４を参照しながら説明する。図２２は、この発明の実施例８に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。また、図２３は、この発明の実施例８に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。さらに、図２４は、図２３に示した音響的共振部を拡大して示した図である。なお、この実施例８に係る薄膜圧電素子は、２電極構成のフィルタの例である。
【０１３１】
図２４の薄膜圧電素子の分散特性は、図２１に示した分散特性と同じである。圧電薄膜３は高域遮断形の分散特性を示し、誘電体部圧電体２３ｂの遮断周波数「ｆ0f2」は、上部電極部圧電体２３ａの遮断周波数「ｆ0m」よりも低くなる。
【０１３２】
このため、上部電極部圧電体２３ａの遮断周波数「ｆ0m」と、誘電体部圧電体２３ｂの遮断周波数「ｆ0f2」との間の周波数域では、上部電極部圧電体２３ａ中では伝搬域となり、誘電体部圧電体２３ｂ中では遮断域となるので、上部電極部圧電体２３ａと誘電体部圧電体２３ｂとの境界面が反射面２６となって、弾性波のエネルギーを閉じ込め、閉じ込め共振が実現できる。
【０１３３】
閉じ込め共振では、圧電薄膜３の表面に平行な方向に共振を起こし、フィルタの場合は、上部電極４が２つに分かれているので、２つの上部電極４が同じ電位になる対称モードの共振と、逆極性となる非対称モードの共振が生じる。そして、対称モード共振を起こす共振周波数と、非対称モード共振を起こす共振周波数とが接近する場合に、２つの上部電極４間で結合が生じ、フィルタ特性を示すようになる。
【０１３４】
２つの共振モードの共振周波数は、使用する圧電薄膜３の種類と、上部電極４の間隔と、上部電極４の物理寸法と、誘電体２０Ａの物理寸法と、電極及び誘電体の材料によって決まる。エネルギー閉じ込めを用いたフィルタ動作については、文献３中に詳しく述べられている。
【０１３５】
フィルタの場合、閉じ込め共振が起きないと、挿入損失が増大したり、帯域外に多くのスプリアスが発生したりするが、図２４に示すような薄膜圧電素子を用いることにより、閉じ込め共振を実現し、電気機械結合係数の大きい圧電薄膜を用いることができることと合わせて、より低損失で良好な特性の薄膜圧電素子を実現できる。
【０１３６】
実施例９．
この発明の実施例９に係る薄膜圧電素子について図２５を参照しながら説明する。図２５は、この発明の実施例９に係る薄膜圧電素子の音響的共振部を拡大して示した図である。なお、この実施例９に係る薄膜圧電素子の他の構成は、実施例８と同様である。
【０１３７】
図２４に示す実施例８の場合と異なり、誘電体２０Ａは、上部電極４の外側部分の端より内側に形成している。閉じ込め共振は、反射面２６より内側で生じるため、反射面２６の外側に、誘電体２０Ａのない領域が存在しても、原理的には、閉じ込め共振と関係なく、図２５に示す薄膜圧電素子は、図２４に示した薄膜圧電素子とほぼ同様の動作をする。
【０１３８】
図２０、図２４及び図２５に示したような上部電極４の上に誘電体２０Ａを形成するには、予め、上部電極４の上面全てに誘電体２０Ａを形成し、その後に、エッチング等の手段により、不要な誘電体２０Ａをを除去する方法と、まず、上部電極４を形成し、次に、リフトオフやマスキング等の方法で誘電体２０Ａを形成する領域を限定する方法がある。この実施例９に係る薄膜圧電素子は、これらのいずれの製造法の場合でも適用できる。
【０１３９】
また、使用する誘電体は、酸化シリコン（ＳｉＯ、ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等のシリコン系の化合物でも、２酸化チタン(Ｔｉ０2）等のチタン系の化合物でも、あるいは、その他の誘電体でもよく、薄膜圧電素子に使用する各部材料との組み合わせに適した誘電体を用いればよい。
【０１４０】
参考例３．
この発明の参考例３に係る薄膜圧電素子について図２６〜図２９を参照しながら説明する。図２６は、この発明の参考例３に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。また、図２７は、この発明の参考例３に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。
【０１４１】
図２６及び図２７において、４は上部電極、２７Ａは誘電体である。
【０１４２】
図２８は、図２７に示した音響的共振部を拡大して示した図である。同図において、２８ａは上部電極４部の圧電体、２８ｂは誘電体２７Ａ部の圧電体、２８ｃは無電極部圧電体である。
【０１４３】
図２９は、図２８に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。同図において、２９は上部電極部圧電体２８ａの分散特性、３０は誘電体部圧電体２８ｂの分散特性である。
【０１４４】
上部電極４の電極厚「ｄ1」、密度を「ρ1」とし、誘電体２７Ａの膜厚を「ｄ2」、密度を「ρ2」とする。上部電極４の電極厚「ｄ1」と密度「ρ1」の積（ｄ1ρ1）よりも、誘電体２７Ａの膜厚「ｄ2」と密度「ρ2」の積（ｄ2ρ2）の方が大きい場合、上部電極部圧電体２８ａの遮断周波数「ｆ0m」よりも誘電体部圧電体２８ｂの遮断周波数「ｆ0f2」の方が低くなる。
【０１４５】
このため、上部電極部圧電体２８ａの遮断周波数「ｆ0m」と誘電体部圧電体２８ｂの遮断周波数「ｆ0f2」との間の周波数域でエネルギー閉じ込めを実現することができ、良好な性能の薄膜圧電素子を実現できる。
【０１４６】
実施例１０．
この発明の実施例１０に係る薄膜圧電素子について図３０及び図３１を参照しながら説明する。図３０は、この発明の実施例１０に係る薄膜圧電素子の音響的共振部を拡大した部分を示す図である。また、図３１は、図３０に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。なお、この実施例１０に係る薄膜圧電素子の他の構成は参考例３と同様である。
【０１４７】
図３０において、３１は上部電極４と誘電体２７Ａが重なった領域の圧電体である。
【０１４８】
図３１において、３２は上部電極４と誘電体２７Ａが重なった領域の圧電体３１の分散特性である。
【０１４９】
図３０に示した薄膜圧電素子では、閉じ込め共振の反射面２６は、上部電極４の上に重なった誘電体２７Ａの端面の下側となる。この上部電極４と誘電体２７Ａが重なった領域の圧電体３１の遮断周波数「ｆ0f2」は、上部電極４の電極厚「ｄ1」と質量負荷効果、誘電体２７Ａの膜厚「ｄ2」と質量負荷効果の両方により、上部電極部圧電体２８ａの遮断周波数「ｆ0m」より低い周波数になる。
【０１５０】
このため、上部電極部圧電体２８ａの遮断周波数「ｆ0m」と上部電極４と誘電体２７Ａが重なった領域の圧電体３１の遮断周波数「ｆ0f2」との間の周波数域でエネルギー閉じ込めが生じる。すなわち、エネルギー閉じ込めによるフィルタ動作が実現できる。
【０１５１】
図３０に示した薄膜圧電素子では、誘電体２７Ａの膜厚「ｄ2」や密度「ρ2」は、フィルタ動作上必要な程度に上部電極４と誘電体２７Ａが重なる領域の圧電体３１の遮断周波数「ｆ0f2」を低くできればよく、上部電極４の電極厚「ｄ1」と密度「ρ1」に対する制限は、図２８に示した場合より緩い。これは、上部電極４の上に、誘電体２７Ａを重ねた構造によるものである。
【０１５２】
参考例４．
この発明の参考例４に係る薄膜圧電素子について図３２を参照しながら説明する。図３２は、この発明の参考例４に係る薄膜圧電素子の音響的共振部を拡大した部分を示す図である。なお、この参考例４に係る薄膜圧電素子の他の構成は参考例３と同様である。
【０１５３】
図３２に示した薄膜圧電素子は、図２８に示した薄膜圧電素子における上部電極４と誘電体２７Ａとを接続させたものに相当する。したがって、エネルギー閉じ込めの動作原理は、図２８に示した薄膜圧電体の場合と同じである。
【０１５４】
このため、誘電体２７Ａによる質量負荷は、上部電極４による質量負荷よりも大きい必要がある。すなわち、誘電体２７Ａの膜厚「ｄ2」と密度「ρ2」の積（ｄ2ρ2）は、上部電極４の電極厚「ｄ1」と密度「ρ1」の積（ｄ1ρ1）よりも大きい必要がある。
【０１５５】
実施例１１．
この発明の実施例１１に係る薄膜圧電素子について図３３を参照しながら説明する。図３３は、この発明の実施例１１に係る薄膜圧電素子の音響的共振部を拡大した部分を示す図である。なお、この実施例１１に係る薄膜圧電素子の他の構成は参考例３と同様である。
【０１５６】
図３３において、３３は第２の上部電極、３４は第２の上部電極部圧電体である。
【０１５７】
第２の上部電極３３は、薄膜圧電素子におけるフィルタ特性の設計の自由度を向上させるために挿入する。この第２の上部電極部圧電体３４の分散特性は、第１の上部電極部圧電体２８ａの分散特性に近い。すなわち、第２の上部電極部圧電体３４の遮断周波数「ｆ0f3」は、第１の上部電極部圧電体２８ａの遮断周波数「ｆ0m」に近いものと考えてよい。
【０１５８】
したがって、図３３に示した薄膜圧電体の分散特性は、図３１を用いて考えればよい。つまり、エネルギー閉じ込めの反射面２６は、誘電体２７Ａを第１の上部電極４に重ねた内側の端面の下側となる。
【０１５９】
この発明は、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ポアソン比σが１／３以下となる圧電体に限定されることなく、高域遮断形の分散特性を示す全ての圧電体に適用できる。
【０１６０】
また、図１８及び図１９に示した共振器に、図２８、図３０、図３２に示した方法を適用してもよい。
【０１６１】
さらに、図３３に示したように、２電極構成よりも多くの電極により薄膜圧電素子が構成される場合でも、図２４、図２５、図２８、図３０、図３２に示した方法を適用できる。
【０１６２】
また、図１８、図１９及び図２０では、エアブリッジ２１を用いて上部電極４から電気信号を取り出しているが、上部電極４から電気信号を取り出す方法は、エアフッジ２１に限定される必要はなく、圧電薄膜３表面に線路を構成する方法や他の任意の方法でよい。
【０１６３】
さらに、バイアホール５は、半導体基板１９裏面から穴をあける構造を示したが、これに限定される必要はなく、半導体基板１９表面から、異方性エッチング等の方法を用いて、音響的共振部６の下側に空隙を設ける方法でも、予め用意された薄膜をエッチング等による除去して層状の空隙を設ける方法でも、音響的性質の異なる層を数層重ねて、厚み方向に伝搬する弾性波を前記多層構造で反射する方法でも同じである。
【０１６４】
【発明の効果】
まず、この発明に係る薄膜圧電素子は、上部電極の上側等に厚みを大きくした第２の上部電極を設けたもので、以下の通りである。
【０１６５】
この発明に係る薄膜圧電素子は、以下説明したとおり、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された第１の上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記第１の上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記第１の上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成され、前記第１の上部電極よりも質量負荷が大きい第２の上部電極を備え、前記圧電薄膜が高域遮断形の分散特性を有し、前記第１及び第２の上部電極が一体的に形成され、前記第２の上部電極の厚みが、前記第１の上部電極よりも大きいので、厚みが大きい第２の上部電極の遮断周波数を第１の上部電極部圧電体の遮断周波数よりも低くすることができ、第１の上部電極部側の領域で弾性波のエネルギーを閉じ込めることができ、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１６６】
この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された第１の上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記第１の上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記第１の上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成され、前記第１の上部電極よりも質量負荷が大きい第２の上部電極を備え、前記圧電薄膜が高域遮断形の分散特性を有し、前記第１の上部電極の上の一部に、前記第２の上部電極を重ねたので、第２の上部電極と第１の上部電極とが重なった電極部の圧電体の遮断周波数を第１の上部電極部圧電体の遮断周波数よりも低くすることができ、第１の上部電極部側の領域で弾性波のエネルギーを閉じ込めることができ、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１６７】
この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された第１の上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記第１の上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記第１の上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成され、前記第１の上部電極よりも質量負荷が大きい第２の上部電極を備え、前記圧電薄膜が高域遮断形の分散特性を有し、前記第１の上部電極の上に、前記第１の上部電極よりも幅が狭い前記第２の上部電極を重ねたので、第２の上部電極と第１の上部電極とが重なった電極部の圧電体の遮断周波数を第１の上部電極部圧電体の遮断周波数よりも低くすることができ、第１の上部電極部側の領域で弾性波のエネルギーを閉じ込めることができ、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１６８】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、前記第１及び第２の上部電極が、２つに分かれているので、良好なフィルタ特性の性能を実現できるという効果を奏する。
【０１６９】
また、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、さらに、前記２つに分かれた第１の上部電極の間の前記圧電薄膜上に形成された第３の上部電極を備えたので、良好なフィルタ特性の性能を実現できるとともに、フィルタ特性の設計の自由度を向上できるという効果を奏する。
【０１７０】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、前記基板を、半導体基板あるいは誘電体基板としたので、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１７１】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、前記圧電薄膜のポアソン比を、０．３４より小さいとしたので、電気機械結合係数が大きい圧電薄膜を用いることができ、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１７２】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、前記圧電薄膜が、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）を主成分とするので、電気機械結合係数が大きい圧電薄膜を用いることができ、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１７３】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、前記基板と前記下部電極の間に誘電体層を挿入するので、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１７４】
つづいて、この発明に係る薄膜圧電素子は、上部電極の上側等に誘電体を設けたもので、以下の通りである。
【０１７５】
この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成された誘電体を備え、前記圧電薄膜が、高域遮断形の分散特性を有し、前記誘電体が、前記上部電極上の一部に形成されたので、上部電極部側の領域で弾性波のエネルギーを閉じ込めることができ、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１７６】
この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成された誘電体を備え、前記圧電薄膜が、高域遮断形の分散特性を有し、前記上部電極の上の一部に、前記誘電体を重ねたので、誘電体と上部電極とが重なった電極部の圧電体の遮断周波数を上部電極部圧電体の遮断周波数よりも低くすることができ、上部電極部側の領域で弾性波のエネルギーを閉じ込めることができ、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１７７】
この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、基板と、前記基板の一面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成された上部電極とを備えた薄膜圧電素子において、さらに、前記上部電極の中心からみて前記圧電薄膜上の前記上部電極の外側かつ前記圧電薄膜の表面に平行な方向に伝搬する弾性波の伝搬方向に形成された誘電体を備え、前記圧電薄膜が、高域遮断形の分散特性を有し、前記上部電極の上に、前記上部電極よりも幅が狭い前記誘電体を重ねたので、誘電体と上部電極とが重なった電極部の圧電体の遮断周波数を上部電極部圧電体の遮断周波数よりも低くすることができ、上部電極部側の領域で弾性波のエネルギーを閉じ込めることができ、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１７８】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、前記上部電極と前記誘電体が、２つに分かれているので、良好なフィルタ特性の性能を実現できるという効果を奏する。
【０１７９】
また、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、さらに、前記２つに分かれた第１の上部電極の間の前記圧電薄膜上に形成された第２の上部電極を備えたので、良好なフィルタ特性の性能を実現できるとともに、フィルタ特性の設計の自由度を向上できるという効果を奏する。
【０１８０】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、前記基板を、半導体基板あるいは誘電体基板としたので、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１８１】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、前記圧電薄膜のポアソン比を、０．３４より小さいとしたので、電気機械結合係数が大きい圧電薄膜を用いることができ、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１８２】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、前記圧電薄膜が、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）を主成分とするので、電気機械結合係数が大きい圧電薄膜を用いることができ、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【０１８３】
さらに、この発明に係る薄膜圧電素子は、以上説明したとおり、前記基板と前記下部電極の間に誘電体層を挿入するので、良好な性能を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。
【図２】この発明の実施例１に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。
【図３】図２に示した音響的共振部を拡大した図である。
【図４】図３に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。
【図５】この発明の実施例２に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。
【図６】この発明の実施例２に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。
【図７】図６に示した音響的共振部を拡大した図である。
【図８】この発明の実施例３に係る薄膜圧電素子を示す図である。
【図９】この発明の参考例１に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。
【図１０】この発明の参考例１に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。
【図１１】図１０に示した音響的共振部を拡大した図である。
【図１２】図１１に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。
【図１３】この発明の実施例４に係る薄膜圧電素子を示す図である。
【図１４】図１３に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。
【図１５】この発明の参考例２に係る薄膜圧電素子を示す図である。
【図１６】この発明の実施例５に係る薄膜圧電素子を示す図である。
【図１７】この発明の実施例６に係る薄膜圧電素子を示す図である。
【図１８】この発明の実施例７に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。
【図１９】この発明の実施例７に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。
【図２０】図１９に示した音響的共振部を拡大した図である。
【図２１】図２０に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。
【図２２】この発明の実施例８に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。
【図２３】この発明の実施例８に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。
【図２４】図２３に示した音響的共振部を拡大した図である。
【図２５】この発明の実施例９に係る薄膜圧電素子を示す図である。
【図２６】この発明の参考例３に係る薄膜圧電素子の上面を示す図である。
【図２７】この発明の参考例３に係る薄膜圧電素子の断面を示す図である。
【図２８】図２７に示した音響的共振部を拡大した図である。
【図２９】図２８に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。
【図３０】この発明の実施例１０に係る薄膜圧電素子を示す図である。
【図３１】図３０に示した薄膜圧電素子の分散特性を示す図である。
【図３２】この発明の参考例４に係る薄膜圧電素子を示す図である。
【図３３】この発明の実施例１１に係る薄膜圧電素子を示す図である。
【図３４】従来の薄膜圧電素子の上面を示す図である。
【図３５】図３４に示した薄膜圧電素子の断面を示す図である。
【図３６】従来の他の薄膜圧電素子の上面を示す図である。
【図３７】図３６に示した薄膜圧電素子の断面を示す図である。
【図３８】図３４に示した薄膜圧電素子の音響的共振部の拡大図である。
【図３９】弾性波の伝搬特性の例を示す図である。
【図４０】高域遮断形分散特性の例を示す図である。
【図４１】従来の圧電素子の断面を示す図である。
【図４２】図４１に示した圧電素子の分散特性を示す図である。
【図４３】従来の他の圧電素子の上面を示す図である。
【図４４】図４３に示した圧電素子の断面を示す図である。
【図４５】図４３及び図４４に示した圧電素子の分散特性を示す図である。
【図４６】従来の他の圧電素子の上面を示す図である。
【図４７】図４５に示した圧電素子の断面を示す図である。
【図４８】図４６及び図４７に示した圧電素子の分散特性を示す図である。
【図１】
0003712423.tif 000002
【図２】
0003712423.tif 000003
【図３】
0003712423.tif 000004
【図４】
0003712423.tif 000005
【図５】
0003712423.tif 000006
【図６】
0003712423.tif 000007
【図７】
0003712423.tif 000008
【図８】
0003712423.tif 000009
【図９】
0003712423.tif 000010
【図１０】
0003712423.tif 000011
【図１１】
0003712423.tif 000012
【図１２】
0003712423.tif 000013
【図１３】
0003712423.tif 000014
【図１４】
0003712423.tif 000015
【図１５】
0003712423.tif 000016
【図１６】
0003712423.tif 000017
【図１７】
0003712423.tif 000018
【図１８】
0003712423.tif 000019
【図１９】
0003712423.tif 000020
【図２０】
0003712423.tif 000021
【図２１】
0003712423.tif 000022
【図２２】
0003712423.tif 000023
【図２３】
0003712423.tif 000024
【図２４】
0003712423.tif 000025
【図２５】
0003712423.tif 000026
【図２６】
0003712423.tif 000027
【図２７】
0003712423.tif 000028
【図２８】
0003712423.tif 000029
【図２９】
0003712423.tif 000030
【図３０】
0003712423.tif 000031
【図３１】
0003712423.tif 000032
【図３２】
0003712423.tif 000033
【図３３】
0003712423.tif 000034
【図３４】
0003712423.tif 000035
【図３５】
0003712423.tif 000036
【図３６】
0003712423.tif 000037
【図３７】
0003712423.tif 000038
【図３８】
0003712423.tif 000039
【図３９】
0003712423.tif 000040
【図４０】
0003712423.tif 000041
【図４１】
0003712423.tif 000042
【図４２】
0003712423.tif 000043
【図４３】
0003712423.tif 000044
【図４４】
0003712423.tif 000045
【図４５】
0003712423.tif 000046
【図４６】
0003712423.tif 000047
【図４７】
0003712423.tif 000048
【図４８】
0003712423.tif 000049