(57)【要約】【課題】ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子の高音響インピーダンス層における損失が低減できるようにする。【解決手段】単結晶シリコンなどから構成された基板１０１の上に、Ａｌ2Ｏ3層（高音響インピーダンス層）１０２とＳｉＯ2層（低音響インピーダンス層）１０３とが交互に積層されて最上層がＳｉＯ2層１０４とされた音響多層膜１０５を備えている。音響多層膜１０５は、例えば、８層以上積層すればよい。音響多層膜１０５の上には、電極膜１０６，１０８に挟まれた例えばＺｎＯからなる圧電薄膜１０７が形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に配置され、高音響インピーダンス層，これより音響インピーダンスの低い低音響インピーダンス層の順に積層されて最上層が前記低音響インピーダンス層とされた音響多層膜と、
この音響多層膜の上に形成された第１電極膜と、
この第１電極膜の上に形成された圧電薄膜と、
この圧電薄膜の上に形成された第２電極膜と
を少なくとも備え、
前記高音響インピーダンス層は、圧電性のない材料から構成されている
ことを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項２】
請求項１記載の圧電薄膜素子において、
前記高音響インピーダンス層は、誘電体の結晶から構成されている
ことを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項３】
請求項２記載の圧電薄膜素子において、
前記高音響インピーダンス層は、Ａｌ2Ｏ3から構成されている
ことを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項４】
請求項１記載の圧電薄膜素子において、
前記高音響インピーダンス層は、圧電材料の非晶質から構成されている
ことを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項５】
請求項４記載の圧電薄膜素子において、
前記高音響インピーダンス層は、ＺｎＯの非晶質から構成されている
ことを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電薄膜素子において、
前記低音響インピーダンス層の遅延時間温度係数は、前記圧電薄膜の遅延時間温度係数とは逆の符号であり、
最上層の前記低音響インピーダンス層は、前記圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の前記低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４より厚く形成されている
ことを特徴とする圧電薄膜素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の上に音響多層膜を介して設けられた圧電薄膜を備えた圧電薄膜素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、コンピュータや通信機器などの電子機器は、振動子より得られる規則的な信号（高周波信号）に基づいて処理が行われている。また、これらの電子機器においては、振動子の厚み振動を利用した周波数フィルターにも用いられている。このように電子機器に利用されている振動子（圧電振動子）には、従来より水晶などの圧電材料からなる圧電板が用いられており、基本共振周波数を高くするためには、圧電板を薄くすればよい。例えば、水晶ＡＴ板では、板厚を２５μｍ程度とすることで、６７ＭＨｚ程度の共振周波数が得られている。
【０００３】
しかしながら、これ以上のより高い基本共振周波数を得るためには、板厚をより薄くすることになるが、板厚が薄いほど機械加工が困難となり、また、実用的な機械強度が得られない。
これに対し、基板の上に音響多層膜を介してλ／２の厚さを有する圧電薄膜を設けた、ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）型の圧電薄膜振動子が開発されている（非特許文献１）。
【０００４】
近年、通信システムの超高周波帯への移行が進められているなかで、上記圧電薄膜振動子は、超高周波帯で安定に動作させることが可能な超高周波用弾性波素子として注目されている。
ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子は、基板の上に音響インピーダンスの異なる２種類の薄膜（λ／４）を交互に積層した音響多層膜の上に、λ／２の厚さの圧電薄膜を形成したものである。
【０００５】
この構成によれば、圧電薄膜は、音響多層膜により基板から音響的に切り離され、Ｑ値の高い共振を得ることが可能になる。また、圧電薄膜の下面全域が音響多層膜により固定されているので、安定した動作が可能となる。
また、ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子に、ＳｉＯ2の薄膜を付加して温度特性を改善する技術が提案されている（非特許文献２）。
また、新たな膜を付加することなく、温度特性を改善する技術も提案されている。
【０００６】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】K.M.Lakin,et al. "Development of Miniature  Filters for Wireless Applications",IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,Vol.43,No.12,p2933,December 1995.
【非特許文献２】K.M.Lakin,et al."Temperature Compensated Bulk Acoustic Thin Film Resonator",IEEE Ultrasonics Symposium paper 3H-2,October 24,2000.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子としては、ＳｉＯ2からなる低音響インピーダンス層とＺｎＯからなる高音響インピーダンス層とを積層して音響多層膜とし、これらの上にＺｎＯからなる圧電薄膜を用いる物が一般的となっている。これらは、気相における結晶成長の技術を用いて形成されるが、ＺｎＯは、圧電材料としての特性がよく、また、高音響インピーダンス層としても用いやすい。このため、上述した材料の構成としたＳＭＲ型の圧電薄膜振動子は、多種の材料を用いる必要がなく製造が容易となるなど利点が多い。
【０００８】
しかしながら、ＺｎＯなど圧電薄膜と同じ材料を高音響インピーダンス層に用いる場合、音響振動が加わると圧電効果のために電荷を発生してしまい、損失となる。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子の高音響インピーダンス層における損失が低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る圧電薄膜素子は、基板の上に配置され、高音響インピーダンス層，これより音響インピーダンスの低い低音響インピーダンス層の順に積層されて最上層が低音響インピーダンス層とされた音響多層膜と、この音響多層膜の上に形成された第１電極膜と、この第１電極膜の上に形成された圧電薄膜と、この圧電薄膜の上に形成された第２電極膜とを少なくとも備え、高音響インピーダンス層は、圧電性のない材料から構成されているようにしたものである。
この圧電薄膜素子では、音響多層膜を構成する高音響インピーダンス層において、伝搬して加わる音響振動により電荷を発生させることがない。
【００１０】
上記圧電薄膜素子において、高音響インピーダンス層は、例えば、Ａｌ2Ｏ3などの誘電体の結晶から構成されていればよい。また、高音響インピーダンス層は、ＺｎＯの非晶質など圧電材料の非晶質から構成されていてもよい。
また、上記圧電薄膜素子において、低音響インピーダンス層の遅延時間温度係数は、圧電薄膜の遅延時間温度係数とは逆の符号であり、最上層の低音響インピーダンス層は、圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４より厚く形成されているようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、音響多層膜を構成する高音響インピーダンス層を圧電性のない材料から構成するようにしたので、ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子の高音響インピーダンス層における損失が低減できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における圧電薄膜素子（ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子）の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。この圧電薄膜素子は、まず、単結晶シリコンなどから構成された基板１０１の上に、Ａｌ2Ｏ3層（高音響インピーダンス層）１０２とＳｉＯ2層（低音響インピーダンス層）１０３とが交互に積層されて最上層がＳｉＯ2層１０４とされた音響多層膜１０５を備えている。音響多層膜１０５は、例えば、８層以上積層されている。これらは、例えば真空蒸着法，スパッタ法，及びＣＶＤ法などにより形成できる。なお、基板１０１の上において、音響多層膜１０５の最下層は、ＳｉＯ2層１０３であってもよい。音響多層膜１０５は、音響インピーダンスが異なる複数の層が交互に積層され、最上層が音響インピーダンスのより低い層とされていればよい。
【００１３】
音響多層膜１０５の上には、電極膜１０６，電極膜１０８に挟まれた例えばＺｎＯからなる圧電薄膜１０７が形成されている。また、電極膜１０６，電極膜１０８は、例えば、膜厚５ｎｍ程度のＣｒ膜と膜厚３０ｎｍ程度のＡｕ膜とから構成されたものである。ここで、単独の状態とした圧電薄膜１０７の共振周波数をＦ0とすると、圧電薄膜１０７の膜厚は、周波数Ｆ0の音波が単独の圧電薄膜１０７を伝搬するときの波長λの半分としたものである。
【００１４】
ところで、上記の膜厚は、一般に、「圧電薄膜１０７の膜厚は、１／２λの厚さを有する」と表現される。以降では、各層の膜厚について、「λ」を用いた記載とする。例えば、「ＳｉＯ2層１０３の膜厚は、１／４λである」とは、ＳｉＯ2層１０３の膜厚は、周波数Ｆ0の音波が単独のＳｉＯ2層１０３を伝搬するときの波長λの１／４であることを示している。従って、「λ」の値は、各層において異なるものとなる。
【００１５】
ここで、圧電薄膜１０７の膜厚を、例えば７００ｎｍ程度に形成すれば、図１の圧電薄膜素子の共振周波数は３ＧＨｚ程度となる。ただし、図１に示す圧電薄膜素子の場合、共振周波数は、圧電薄膜１０７の厚さだけではなく、電極膜１０６，電極膜１０８にも影響され、圧電薄膜１０７の厚さより算出される理論値からずれるものである。電極膜１０６，電極膜１０８による影響が大きい場合は、例えば圧電薄膜１０７の厚さを、適宜変更すればよい。
【００１６】
音響多層膜１０５において、Ａｌ2Ｏ3層１０２は高音響インピーダンス層として機能し、ＳｉＯ2層１０３は、低音響インピーダンス層として機能する。これらは、相対的なものである。音響多層膜１０５を構成するＡｌ2Ｏ3層１０２，ＳｉＯ2層１０３の膜厚は、各々λ／４の厚さとすれば良く、例えば、Ａｌ2Ｏ3層１０２は０．４１μｍ，ＳｉＯ2層１０３は０．４６μｍ程度とすればよい。
【００１７】
また、図１に示す圧電薄膜素子によれば、高音響インピーダンス層を圧電性を持たない誘電体であるＡｌ2Ｏ3から構成したので、音響多層膜１０５におけるエネルギーの損失が抑制できるようになる。音響多層膜１０５には、音響振動が加わるが、ここに圧電性を有する材料が存在していると、加えられた音響振動により電荷が発生し、これが移動して熱エネルギーとして損失することになる。これに対し、図１に示す圧電薄膜素子では、音響多層膜１０５が圧電性のない材料から構成されているので、音響振動が印加されても、エネルギーの損失が防げるようになり、Ｑ値の高い状態が得られる。
【００１８】
図１に示す圧電薄膜素子では、音響多層膜１０５により、圧電薄膜１０７と基板１０１とが音響的にアイソレートされることになり、Ｑ値の高い共振を得ることができるようになる。また、圧電薄膜１０７が、音響多層膜１０５により、全面で保持されるため、安定した動作が可能となる。
【００１９】
音響多層膜１０５の層数の増加に伴い、圧電薄膜１０７から基板１０１の方向を見た負荷インピーダンスが小さくなる。従って、音響多層膜１０５を、例えば８層以上の多層とすることで、圧電薄膜１０７を両面自由な状態に近づけることが可能となり、Ｑ値の高い共振を実現することが可能となる。
【００２０】
ところで、上述では、高音響インピーダンス層にＡｌ2Ｏ3層を用いるようにしたが、これに限る物ではない。高音響インピーダンス層は、低音響インピーダンス層とのインピーダンスの差が３以上となっている圧電性を有さない材料から構成すればよい。例えば、高音響インピーダンス層は、アモルファス状のＺｎＯから構成するようにしてもよい。結晶が圧電性を示す材料であっても、結晶の配向性のない状態であるアモルファスとして高音響インピーダンス層に用いることで、音響多層膜のエネルギーの損失を抑制できるようになる。
【００２１】
なお、音響多層膜を構成している最上層の低音響インピーダンス層により、圧電薄膜における周波数温度特性を逆の方向に変化させ、最上層の低音響インピーダンス層を圧電薄膜の共振周波数の音波が最上層の低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の１／４より厚くするもしくは薄くすることで、圧電薄膜素子の共振周波数温度係数を０に近づけさせることができる。
【００２２】
例えば、図１に示す構成において、ＳｉＯ2層１０４の膜厚ｄ1を、他のＳｉＯ2層１０３の膜厚ｄ2より厚く形成することで、圧電薄膜素子の共振周波数温度係数（ＴＣＦ）を、より「０」に近づけることができる。ＴＣＦが「０」に近いということは、周波数温度特性が良いこととなる。
【００２３】
ＳｉＯ2の薄膜（非晶質）は、酸化亜鉛からなる圧電薄膜１０７とは、遅延時間温度係数（ＴＣＤ）が互いに逆符号であり、このような材料を、音響多層膜１０５の低音響インピーダンス層として用いることで、図１に示す圧電薄膜素子のＴＣＦを「０」に近づけることが可能となる。この構成とすることで、新たな層を付加することなく、図１に示す圧電薄膜素子のＴＣＦを「０」に近づけることが可能となる。
【００２４】
なお、ＺｎＯからなる圧電薄膜１０７を用いた図１の圧電薄膜素子の場合、最上層にあるＳｉＯ2層１０４の膜厚をλ／４とすると、図１に示す圧電薄膜素子のＴＣＦの絶対値が「０」より大きいものとなっている。この場合の、圧電薄膜素子のＴＣＦの符号は、圧電薄膜１０７のＴＣＤと同じであるため、この実施の形態では、ＳｉＯ2層１０４の膜厚をλ／４より厚くすることで、図１に示す圧電薄膜素子のＴＣＦをより「０」に近づけた。
【００２５】
これに対し、最上層にある逆符号のＴＣＤを有する低音響インピーダンス層の膜厚をλ／４より厚くすると、圧電薄膜素子のＴＣＦが「０」より離れる場合もある。このような場合、最上層にある逆符号のＴＣＤを有する低音響インピーダンス層の膜厚をλ／４より薄くすることで、圧電薄膜素子のＴＣＦをより「０」に近づければよい。
例えば、ＳｉＯ2層１０４の膜厚を、０．４７λとすることで、図１の圧電薄膜素子のＴＣＦをほぼ「０」とすることが可能となる。
【００２６】
また、ＳｉＯ2層１０３をλ／４より厚く形成し、ＳｉＯ2層１０４は、ＳｉＯ2層１０３より厚く形成することで、ＴＣＦ＝０を満足し、かつＱ値やＫ2を要求される特性とすることが可能となる。
【００２７】
なお、上述では、圧電薄膜として酸化亜鉛を用いたが、これに限る物ではない。例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），硫化カドミウム（ＣｄＳ），ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3の固溶体），水晶，ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3）などを圧電薄膜の材料として用いることができる。圧電材料にＡｌＮを用いる場合、低音響インピーダンス層にはＳｉＯ2を用い、高音響インピーダンス層にはアモルファス状態のＡｌＮを用いればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態における圧電薄膜素子（ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子）の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０１…基板、１０２…Ａｌ2Ｏ3層（高音響インピーダンス層）、１０３…ＳｉＯ2層、１０４…ＳｉＯ2層、１０５…音響多層膜、１０６…電極膜、１０７…圧電薄膜、１０８…電極膜。
【図１】
2006109128.tif 000003