(57)【要約】【課題】膜応力による基板の反りを解消又は軽減し、素子の変形や破壊又は特性の劣化を抑制し、工業的に実用化できかつ安価に製造し得るＳＭＲ型圧電薄膜共振子を提供する。【解決手段】圧電薄膜共振子１１は、基板１２の上面に高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層とを交互に積層した音響多層膜１３と、その上に積層した下部電極１４、圧電薄膜１５及び上部電極１６とを備え、更に基板の下面に圧縮応力膜１７とを備える。圧縮応力膜は、基板において音響多層膜により発生する圧縮応力と相殺される大きさの圧縮応力を有するように、該音響多層膜と同一の膜構成、同一の寸法及び厚さに形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一方の面に複数の高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層とを交互に積層した音響多層膜と、前記音響多層膜の上に形成した下部電極と、前記下部電極の上に形成した圧電薄膜と、前記圧電薄膜の上に形成した上部電極と、前記基板の他方の面に形成した圧縮応力膜とを備え、前記圧縮応力膜が、前記基板において前記音響多層膜により発生する圧縮応力と相殺される大きさの圧縮応力を有するように形成されることを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項２】
前記圧縮応力膜が、前記音響多層膜と同一の膜構成、同一の平面及び厚さ寸法を有し、前記基板を挟んで前記音響多層膜と対称に形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
【請求項３】
前記圧縮応力膜が、音響多層膜と同一の平面寸法を有し、前記基板を挟んで音響多層膜と対称に配置され、高音響インピーダンス層と同一の材料からなりかつ前記各高音響インピーダンス層の膜厚を合計した膜厚を有する単一の第１層と、前記低音響インピーダンス層と同一の材料からなりかつ前記各低音響インピーダンス層の膜厚を合計した膜厚を有する単一の第２層とを積層して形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
【請求項４】
前記圧縮応力膜が、前記音響多層膜と同一の平面寸法を有しかつ単一の材料からなる単一層で形成され、前記基板を挟んで前記音響多層膜と対称に配置されることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に音響多層膜を介して設けた圧電薄膜を備える圧電薄膜共振子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、特に携帯電話等の移動体通信機器の分野では、使用周波数の高周波化が進められている。これに対応して、それらの電子機器にフィルタや共振子として使用される圧電素子も、数ＧＨｚ又はそれ以上の非常に高い周波数が要求されるようになっている。従来から広く使用されている圧電基板の厚み縦振動を利用した圧電振動子は、共振周波数を高くするために、圧電基板の厚さを薄くしなければならない。しかしながら、実際には機械加工の困難性等から、数１０〜数１００ＭＨｚ程度の周波数が限界である。
【０００３】
そこで、圧電薄膜の厚み縦振動を利用した圧電薄膜共振子が提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。この圧電薄膜共振子には、大きく分けて２つの異なる構造が知られている。その１つは、基板上に下地膜、下部電極、圧電薄膜及び上部電極を形成し、基板裏面から振動部の下側にある基板部分を除去して開口部を形成したダイヤフラム型圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ）である（例えば、特許文献１〜３を参照）。他の１つは、基板上に音響多層膜を介して圧電薄膜、下部及び上部電極を設けた圧電薄膜共振子（ＳＭＲ）である（例えば、特許文献４，５を参照）。
【０００４】
図４は、ＳＭＲ構造の圧電薄膜共振子の一般的な構成を模式的に示している。圧電薄膜共振子１は、基板２上に形成された音響多層膜３を有する。音響多層膜３は、高音響インピーダンス層３ａ１〜３ａｎと低音響インピーダンス層３ｂ１〜３ｂｎとを交互に積層して構成される。音響多層膜３の上には、下部電極膜４、圧電薄膜５及び上部電極膜６が積層されている。圧電薄膜５により発生した弾性波（バルク波）は、音響多層膜３によって圧電薄膜内に閉じ込められ、基板２の影響を受けないので、高いＱ値を得ることができる。しかも、圧電薄膜５の下面全体が音響多層膜３で固定されているので、安定した動作が可能である。
【０００５】
音響多層膜３の低音響インピーダンス層は例えばＳｉＯ２ やＭｇを使用し、高音響インピーダンス層は例えばＡｌＮ、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｗを使用し、スパッタ法などを用いて基板上に成膜される（例えば、特許文献６を参照）。また、基板２には、例えばＳｉ、水晶、ＧａＡｓやサファイア等の単結晶基板、Ａｌ２Ｏ３やＡｌ２Ｏ３・ＴｉＣ等の多結晶セラミックス基板、石英やガラスが用いられる。
【０００６】
【非特許文献１】K.M. Lakin, "Thin Film Resonators and Filters", 1999 IEEE Ultrasonics Symposium, p.895-906
【特許文献１】特開２００２−７６８２４号公報
【特許文献２】特開２００３−５１７３２号公報
【特許文献３】特開２００３−６０４７８号公報
【特許文献４】特開２００４−２３５８８６号公報
【特許文献５】特開２００４−２３５８８７号公報
【特許文献６】特開２００５−１３６７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＳＭＲ型圧電薄膜共振子において、基板表面にスパッタ成膜した低音響インピーダンス層のＳｉＯ２ 膜は、図４に矢印で示すように大きな圧縮応力を有する。この膜応力が、基板に反りを生じさせ、そのために素子を変形させ又は破壊し、もしくはその振動特性を劣化させる虞がある。また、その製造工程において基板に反りがあると、搬送時に真空チャックでの吸着が困難になったり素子を破壊する虞があり、取扱い性が大きく低下する、という問題がある。更に、これらの問題がＳＭＲ型圧電薄膜共振子の実用化を大きく妨げている。
【０００８】
ダイヤフラム型圧電薄膜共振子も、基板表面に下地膜としてＳｉＯ２ 薄膜を形成するので、同様にその圧縮応力による素子の変形や破壊、特性の劣化を生じる虞がある。そのため、特許文献１，２記載の圧電薄膜共振子は、圧電薄膜を構成するＡｌＮ薄膜の引張応力をＳｉＯ２ 薄膜の圧縮応力と均衡させている。特許文献３に記載の圧電薄膜共振子は、圧電体層を所要の圧電性を確保するための第１層と共振子全体における応力調整を行うための第２層とで構成している。しかしながら、これらの構成により素子全体の応力を完全に零にすることは困難であり、またＳＭＲ型圧電薄膜共振子にそのまま適用することも困難である。
【０００９】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上に音響多層膜を介して圧電薄膜を設けたＳＭＲ型圧電薄膜共振子において、その製造コストを低減しつつ、膜応力による基板の反りを解消又は軽減し、それにより素子の変形や破壊、又は振動特性の劣化を抑制し、工業的にその実用化を促進することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、上記目的を達成するために、基板の一方の面に複数の高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層とを交互に積層した音響多層膜と、該音響多層膜の上に形成した下部電極と、該下部電極の上に形成した圧電薄膜と、該圧電薄膜の上に形成した上部電極と、基板の他方の面に形成した圧縮応力膜とを備え、該圧縮応力膜が、基板において音響多層膜により発生する圧縮応力と相殺される大きさの圧縮応力を有するように形成される圧電薄膜共振子が提供される。
【００１１】
このように基板の表裏両側で圧縮応力を相殺させることにより、基板の反りを解消し、素子の変形や破壊、又は振動特性の劣化を抑制することができる。このような圧縮応力膜は、従来技術を用いて工業的に容易に形成することができるから、ＳＭＲ型圧電薄膜共振子を工業的に実用化することが可能である。
【００１２】
或る実施例では、前記圧縮応力膜が、音響多層膜と同一の膜構成、同一の平面及び厚さ寸法を有し、基板を挟んで音響多層膜と対称に形成される。この圧縮応力膜は、音響多層膜と全く同じ製造工程及び設備をそのまま利用して同じ成膜条件で形成できるので、比較的低コストでかつ簡単に製造することができる。
【００１３】
別の実施例では、前記圧縮応力膜が、音響多層膜と同一の平面寸法を有し、基板を挟んで音響多層膜と対称に配置されると共に、高音響インピーダンス層と同一の材料からなりかつ各高音響インピーダンス層の膜厚を合計した膜厚を有する単一の第１層と、低音響インピーダンス層と同一の材料からなりかつ各低音響インピーダンス層の膜厚を合計した膜厚を有する単一の第２層とを積層して形成される。この圧縮応力膜は、音響多層膜と全く同じ製造工程及び設備をそのまま利用して形成できるので、同様に比較的低コストでかつ容易に製造でき、しかも２回の成膜工程で形成できるので、工数を少なくでき、生産性が向上する。
【００１４】
更に別の実施例では、前記圧縮応力膜が、音響多層膜と同一の平面寸法を有しかつ単一の材料からなる単一層で形成され、基板を挟んで音響多層膜と対称に配置される。この圧縮応力膜は、１回の成膜工程で形成できるので、工数をより少なくでき、より高い生産性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明による圧電薄膜共振子の好適な実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施例による圧電薄膜共振子の構成を模式的に示している。本実施例の圧電薄膜共振子１１は、例えばＳｉ、水晶又はガラス材料で形成された基板１２を有する。他の基板１２の材料として、ＧａＡｓやサファイア等の単結晶基板、Ａｌ２Ｏ３やＡｌ２Ｏ３・ＴｉＣ等の多結晶セラミックス基板、石英などを用いることができる。
【００１６】
基板１２の上面には、高音響インピーダンス層１３ａ１〜１３ａｎと低音響インピーダンス層１３ｂ１〜１３ｂｎとを交互に積層した音響多層膜１３が形成されている。前記各高音響インピーダンス層は、例えばＡｌＮ、ＺｎＯなどの圧電薄膜で形成する。他の高音響インピーダンス材料として、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｗなどを用いることができる。前記低音響インピーダンス層は、例えばＳｉＯ２ 薄膜で形成する。他の低音響インピーダンス材料として、Ｍｇなどを用いることができる。
【００１７】
音響多層膜１３の上には、下部電極膜１４、圧電薄膜１５及び上部電極膜１６が積層されている。圧電薄膜１５は、例えばＡｌＮ、ＺｎＯ、ＣｄＳなどの様々な公知の圧電材料で形成する。下部及び上部電極膜１４，１６は、例えばＣｒ／Ａｕ膜で形成することができ、他の材料としてＰｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ等の様々な公知の導電材料を用いることができる。
【００１８】
一般に圧電薄膜１５の膜厚は、これを単独の薄膜としてその共振周波数ｆ０ の音波が該圧電薄膜を伝搬するときの波長λの１／２とすることが知られている。また、高音響インピーダンス層１３ａ１〜１３ａｎ及び低音響インピーダンス層１３ｂ１〜１３ｂｎの膜厚は、それらをそれぞれ単独の膜層として共振周波数ｆ０ の音波が伝搬するときの波長λの１／４に設定する。
【００１９】
音響多層膜１３の層数は、通常１０またはそれ以上に設定する。音響多層膜１３の層数が増えるほど、圧電薄膜１５から基板１２の方向を見たときの負荷インピーダンスが小さくなる。従って、前記圧電薄膜を基板から音響的に分離し、Ｑ値の高い共振を得ることができる。また、圧電薄膜１５の下面全面が音響多層膜１３で支持されているので、安定した動作が得られる。
【００２０】
基板１２の下面には、圧縮応力膜１７が形成されている。圧縮応力膜１７は、音響多層膜１３と全く同一の構成を有し、基板１２を挟んで対称に形成される。即ち、圧縮応力膜１７は、高音響インピーダンス層１３ａ１〜１３ａｎと同一の材料で同一の寸法を有する第１層１７ａ１〜１７ａｎと、低音響インピーダンス層１３ｂ１〜１３ｂｎと同一の材料で同一の寸法を有する第２層１７ｂ１〜１７ｂｎとが、音響多層膜１３と同一の層数で交互に積層されている。
【００２１】
圧縮応力膜１７は、基板１２を上下逆にして、音響多層膜１３と全く同じ製造工程及び設備をそのまま利用して同じ成膜条件で形成することができる。従って、第１実施例の圧電薄膜共振子１１は比較的低コストでかつ簡単に製造でき、その工業的な実用化を容易に実現することが可能である。
【００２２】
基板１２の上面側には、音響多層膜１３により発生する圧縮応力が、従来技術に関連して図４に矢印で示すように作用している。基板１２の下面側には、圧縮応力膜１７を設けたことにより、音響多層膜１３による圧縮応力と同じ大きさの圧縮応力が逆向きに作用している。基板１２上面側には、圧電薄膜１５による引張応力も発生するが、ＳｉＯ２ 薄膜の圧縮応力に比すると大幅に小さい。従って、基板１２の表裏両面で作用する応力を相殺して、該基板の反りを解消することができる。
【００２３】
図２は、本発明の第２実施例による圧電薄膜共振子の構成を模式的に示している。第２実施例の圧電薄膜共振子２１は、第１実施例と同様に、Ｓｉ、水晶又はガラス材料などで形成された基板２２の上面に音響多層膜２３が形成され、その上に下部電極膜２４、圧電薄膜２５及び上部電極膜２６が積層されている。音響多層膜２３は、ＡｌＮ、ＺｎＯなどからなる高音響インピーダンス層２３ａ１〜２３ａｎと、ＳｉＯ２ 薄膜などからなる低音響インピーダンス層２３ｂ１〜２３ｂｎとが、交互に積層されている。
【００２４】
基板２２の下面には、音響多層膜２３と同一の平面寸法を有する圧縮応力膜２７が、該基板を挟んで音響多層膜２３と対称に形成されている。第２実施例の圧縮応力膜２７は、音響多層膜２３の高音響インピーダンス層と同一の材料で形成された単一の第１層２７ａと、低音響インピーダンス層と同一の材料で形成された単一の第２層２７ｂとを積層した２層構造からなる点において、第１実施例と異なる。
【００２５】
第１層２７ａの膜厚Ｔａは、各高音響インピーダンス層２３ａ１〜２３ａｎの膜厚をそれぞれｔａ１，…，ｔａｎとした場合に、Ｔａ＝ｔａ１＋…＋ｔａｎとなるように設定する。第２層２７ｂの膜厚Ｔｂは、各低音響インピーダンス層２３ｂ１〜２３ｂｎの膜厚をそれぞれｔｂ１，…，ｔｂｎとした場合に、Ｔｂ＝ｔｂ１＋…＋ｔｂｎとなるように設定する。この圧縮応力膜２７によって、基板２２の下面側に、音響多層膜２３により発生する圧縮応力と略同じ大きさの圧縮応力を逆向きに作用させる。従って、基板２２の表裏両面で作用する応力を相殺して、該基板の反りを解消又は軽減することができる。
【００２６】
また、圧縮応力膜２７は、基板２２を上下逆にして、音響多層膜２３と全く同じ製造工程及び設備をそのまま利用して形成することができる。このとき、第１層２７ａ及び第２層２７ｂは、それぞれ上述した膜厚が得られるように成膜条件を調整する。このようにして第２実施例の圧電薄膜共振子２１も、同様に比較的低コストでかつ容易に製造することができ、その工業的な実用化を実現することが可能である。しかも、圧縮応力膜２７を２回の成膜工程で形成できるので、工数を少なくでき、生産性が向上する。
【００２７】
図３は、本発明の第３実施例による圧電薄膜共振子の構成を模式的に示している。第３実施例の圧電薄膜共振子３１は、第１及び第２実施例と同様に、Ｓｉ、水晶又はガラス材料などで形成された基板３２の上面に音響多層膜３３が形成され、その上に下部電極膜３４、圧電薄膜３５及び上部電極膜３６が積層されている。音響多層膜３３は、ＡｌＮ、ＺｎＯなどからなる高音響インピーダンス層３３ａ１〜３３ａｎと、ＳｉＯ２ 薄膜などからなる低音響インピーダンス層３３ｂ１〜３３ｂｎとが、交互に積層されている。
【００２８】
基板３２の下面には、音響多層膜３３と同一の平面寸法を有する圧縮応力膜３７が、該基板を挟んで音響多層膜３３と対称に形成されている。第３実施例の圧縮応力膜７は、単一の材料で形成された単一層からなる点において、第１及び第２実施例と異なる。
【００２９】
音響多層膜３３の圧縮応力は予め算出することができるから、それと同じ大きさの圧縮応力を有するように、圧縮応力膜３７の材料及び膜厚を選択する。圧縮応力膜３７の材料は、例えば前記低音響インピーダンス層と同じＳｉＯ２ のように、基板上に成膜したときに圧縮応力を有するものであればよい。これによって、基板３２の表裏両面で作用する応力を相殺して、該基板の反りを解消又は軽減することができる。
【００３０】
このように第３実施例の圧電薄膜共振子３１も、同様に比較的低コストでかつ容易に製造することができ、その工業的な実用化を実現することが可能である。しかも、圧縮応力膜３７を１回の成膜工程で形成できるので、工数をより少なくでき、第１及び第２実施例よりも高い生産性が得られる。
【００３１】
以上、本発明の好適な実施例を詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内において様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、第２実施例において圧縮応力膜の第１層と第２層は、基板上に逆の順序で積層することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による圧電薄膜共振子の第１実施例を示す概略断面図。
【図２】本発明による圧電薄膜共振子の第２実施例を示す概略断面図。
【図３】本発明による圧電薄膜共振子の第３実施例を示す概略断面図。
【図４】従来の圧電薄膜共振子を示す概略断面図。
【符号の説明】
【００３３】
１，１１，２１，３１…圧電薄膜共振子、２，１２，２２，３２…基板、３，１３，２３，３３…音響多層膜、３ａ１〜３ａｎ，１３ａ１〜１３ａｎ，２３ａ１〜２３ａｎ，３３ａ１〜３３ａｎ…高音響インピーダンス層、３ｂ１〜３ｂｎ，１３ｂ１〜１３ｂｎ，２３ｂ１〜２３ｂｎ，３３ｂ１〜３３ｂｎ…低音響インピーダンス層、４，１４，２４，３４…下部電極膜、５，１５，２５，３５…圧電薄膜、６，１６，２６，３６…上部電極膜、１７，２７，３７…圧縮応力膜、１７ａ１〜１７ａｎ，２７ａ…第１層、１７ｂ１〜１７ｂｎ，２７ｂ…第２層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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