(57)【要約】【課題】周波数温度特性の異なる複数の積層構造を組み合わせることにより、従来よりも安定した周波数特性を得ることのできるバルク音響振動子を実現する。【解決手段】本発明のバルク音響振動子１０は、圧電体膜１２Ａ，１２Ｂ、該圧電体膜を挟む一対の電極１１Ａ，１１Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ、及び、温度補償膜１４Ａ，１４Ｂを含む積層構造を有するバルク音響振動子において、前記圧電体膜、前記一対の電極を備えると同時に、負の周波数温度特性を備えた第１構造部１０Ａと、前記温度補償膜１４Ｂにより正の周波数温度特性を備えた第２構造部１０Ｂとが形成され、前記第１構造部と前記第２構造部とが電気的に並列に結合されてなることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体膜、該圧電体膜を挟む一対の電極、及び、温度補償膜を含む積層構造を有するバルク音響振動子において、
前記圧電体膜、前記一対の電極を備えると同時に、負の周波数温度特性を備えた第１構造部と、前記温度補償膜により正の周波数温度特性を備えた第２構造部とが形成され、
前記第１構造部と前記第２構造部とが電気的に並列に結合されてなることを特徴とするバルク音響振動子。
【請求項２】
前記温度補償膜は、前記第１構造部と前記第２構造部の双方に含まれていることを特徴とする請求項１に記載のバルク音響振動子。
【請求項３】
前記温度補償膜は、前記第１構造部と前記第２構造部の少なくとも一方において前記一対の電極のうち上方に配置される前記電極上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のバルク音響振動子。
【請求項４】
前記温度補償膜は、前記第１構造部と前記第２構造部の双方において前記一対の電極のうち上方に配置される前記電極上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のバルク音響振動子。
【請求項５】
圧電体膜、該圧電体膜を挟む一対の電極、及び、温度補償膜を含む積層構造を有するバルク音響振動子の周波数温度特性の補償方法において、
前記圧電体膜、前記一対の電極を備えると同時に、負の周波数温度特性を備えた第１構造部と、前記温度補償膜により正の周波数温度特性を備えた第２構造部とを形成し、
前記第１構造部の前記負の周波数温度特性を前記第２構造部の前記正の周波数温度特性で補償することを特徴とするバルク音響振動子の周波数温度特性の補償方法。
【請求項６】
少なくとも前記圧電体膜及び前記一対の電極を積層する第１工程と、該第１工程で積層された構造の特性を検出する第２工程と、前記特性に応じて前記第１構造部と前記第２構造部の少なくとも一方において前記一対の電極のうち上方に配置される前記電極上に前記温度補償膜を配置し、或いは、既に配置された前記温度補償膜の膜厚を調整する第３工程と、を具備することを特徴とする請求項５に記載のバルク音響振動子の周波数特性の補償方法。
【請求項７】
圧電体膜、該圧電体膜を挟む一対の電極、及び、温度補償膜を含む積層構造を有するバルク音響振動子の製造方法において、
前記積層構造を形成する工程では、少なくとも前記圧電体膜及び前記一対の電極を含み、負の周波数温度特性を有する第１構造部と、前記圧電体膜及び前記一対の電極に加えて前記温度補償膜を含み、正の周波数温度特性を有する第２構造部との対応する各層同士をそれぞれ並行して形成し、さらに、前記第１構造部と前記第２構造部とを電気的に並列に結合させることを特徴とするバルク音響振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバルク音響振動子、その周波数温度特性の補償方法、及び、その製造方法に係り、特に、バルク音響振動子の周波数温度特性を低減するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＦＢＡＲ（Film Balk Acoustic Resonator）やＳＢＡＲ（Stacked Film Balk Acoustic Resonator）等と呼ばれるバルク音響振動子（ＢＡＲ）が高周波デバイスとして提案され、製品化されている。このバルク音響振動子は、基板上に形成した開口部や空洞、或いは、多層膜積層構造の上に、下部電極、圧電体膜及び上部電極をそれぞれ順に成膜することで積層構造を形成し、当該積層構造の下部電極と上部電極の間に交流電圧を印加することで、圧電体膜の内部に縦波（バルク音響波）を発生させ、所定の共振特性を具備するように構成したものである。
【０００３】
バルク音響振動子では、他の圧電振動子と同様に、圧電体膜の膜厚及び音速が温度によって変動することから、温度が上昇すると圧電体の共振周波数が低下する負の周波数温度特性を示す。このような周波数の温度特性については、例えば、上記積層構造の上に温度補償膜を成膜し、この温度補償膜で上記圧電体の負の周波数温度特性を打ち消すことで、共振周波数の温度依存性を低減し、安定した共振周波数を得る方法が提案されている（例えば、以下の特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１７６３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述の特許文献１では、圧電体によりもたらされる負の周波数温度特性を打ち消すために、所定の周波数温度特性をもたらす温度補償膜の膜厚を高精度に制御する必要があり、温度特性の十分な安定化やばらつきの解消を行うことがきわめて難しいという問題点があった。すなわち、温度補償膜の膜厚を増すと共振周波数が低下するため、共振周波数を所望の値に設定しつつ、周波数温度特性を改善しなければならないことから調整が煩雑になるとともに、バルク音響振動子において要求される十分に高い共振周波数を確保するには圧電体や温度補償膜の膜厚も薄くしなければならないため、温度補償に要する膜厚の制御精度がますます厳しくなり、その結果、共振周波数の温度に対する十分な安定性が得られないという問題点がある。
【０００５】
そこで、本発明は、周波数温度特性の異なる複数の積層構造を組み合わせることにより、従来よりも安定した周波数特性を得ることのできるバルク音響振動子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
斯かる実情に鑑み、本発明のバルク音響振動子は、圧電体膜、該圧電体膜を挟む一対の電極、及び、温度補償膜を含む積層構造を有するバルク音響振動子において、前記圧電体膜、前記一対の電極を備えると同時に、負の周波数温度特性を備えた第１構造部と、前記温度補償膜により正の周波数温度特性を備えた第２構造部とが形成され、前記第１構造部と前記第２構造部とが電気的に並列に結合されてなることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、負の周波数温度特性を備えた第１構造部と正の周波数温度特性を備えた第２構造部とが電気的に並列に結合されてなることにより、第１構造部の負の周波数温度特性が第２構造部の正の周波数温度特性によって補償されるため、バルク音響振動子全体の周波数温度特性を低減し、共振周波数を安定化させることができる。また、本発明では第１構造部と第２構造部とで温度補償膜の有無や膜厚が異なるため、従来のように積層構造内に温度補償膜を一様に形成する場合の温度補償膜の膜厚に比べて、第２構造部の温度補償膜の膜厚がより大きくなるため、温度補償膜の膜厚の制御精度が従来と同様であっても周波数温度特性の補償精度を高めることが可能になる。
【０００８】
本発明において、前記温度補償膜は、前記第１構造部と前記第２構造部の双方に含まれていることが好ましい。温度補償膜が第１構造部と第２構造部の双方に含まれていることにより、第１構造部の負の周波数温度特性と、これを補償するための第２構造部の正の周波数温度特性のいずれの周波数温度係数の絶対値をも小さくすることができるため、常用温度域における両構造部間の周波数差が小さくなることから効率的な共振状態を獲得できるとともに、各構造部の温度依存性がそれぞれ低減されるため、補償量の過不足を抑制しやすくなることから、周波数温度特性の低減をさらに図ることができる。
【０００９】
本発明において、前記温度補償膜は、前記第１構造部と前記第２構造部の少なくとも一方において前記一対の電極のうち上方に配置される前記電極上に配置されていることが好ましい。温度補償膜が第１構造部と第２構造部の少なくとも一方において上方に配置される電極上に配置されることで、積層構造を完成させた後に上層の当該温度補償膜の膜厚を補正すること、特に上層の温度補償膜の膜厚をエッチング等で削減することが可能になるため、周波数温度特性をより低減させ、共振周波数の安定性をより高めることができる。また、温度補償膜の膜厚の補正により共振周波数を調整し、その精度を向上させることも可能である。
【００１０】
本発明において、前記温度補償膜は、前記第１構造部と前記第２構造部の双方において前記一対の電極のうち上方にある前記電極上に配置されていることが好ましい。これによれば、第１構造部と第２構造部のそれぞれの上方の電極上に配置される温度補償膜のいずれかの膜厚を補正することで、同じ補正方法であっても、第１構造部と第２構造部のいずれかを選択して補正対象とすることにより、周波数温度特性の正負いずれの方向への修正をも行うことが可能になるため、周波数温度特性の修正が容易になる。また、温度補償膜の膜厚を削減して共振周波数を上昇させつつ、周波数温度特性を正負いずれの側へも修正可能になり、温度補償膜の膜厚を増加させて共振周波数を低下させつつ、周波数温度特性を正負いずれの側へも修正可能にもなる。したがって、共振周波数との関係で補正方法が制約される場合でも所望の態様で周波数温度特性の修正ができる。
【００１１】
次に、本発明のバルク音響振動子の周波数温度特性の補償方法は、圧電体膜、該圧電体膜を挟む一対の電極、及び、温度補償膜を含む積層構造を有するバルク音響振動子の周波数温度特性の補償方法において、前記圧電体膜、前記一対の電極を備えると同時に、負の周波数温度特性を備えた第１構造部と、前記温度補償膜により正の周波数温度特性を備えた第２構造部とを形成し、前記第１構造部の前記負の周波数温度特性を前記第２構造部の前記正の周波数温度特性で補償することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、第１構造部の周波数温度特性を第２構造部の周波数温度特性によって補償することにより、バルク音響振動子全体の周波数温度特性を低減し、共振周波数を安定化させることができる。また、本発明では第１構造部と第２構造部とで温度補償膜の有無や膜厚が異なるため、従来のように積層構造内に温度補償膜を一様に形成する場合における温度補償膜の膜厚に比べて、第２構造部の温度補償膜の膜厚がより大きくなることから、温度補償膜の膜厚の制御精度が従来と同様であっても周波数温度特性の補償精度を高めることができる。
【００１３】
本発明において、少なくとも前記圧電体膜及び前記一対の電極を積層する第１工程と、該第１工程で積層された構造の特性を検出する第２工程と、前記特性に応じて前記第１構造部と前記第２構造部の少なくとも一方において前記一対の電極のうち上方に配置される前記電極上に前記温度補償膜を配置し、或いは、既に配置された前記温度補償膜の膜厚を調整する第３工程と、を具備することが好ましい。このようにすると、周波数温度特性をさらに低減することが可能になると共に、共振周波数の調整をより精密に行うことも可能になる。
【００１４】
また、本発明のバルク音響振動子の製造方法は、圧電体膜、該圧電体膜を挟む一対の電極、及び、温度補償膜を含む積層構造を有するバルク音響振動子の製造方法において、前記積層構造の形成工程では、少なくとも前記圧電体膜及び前記一対の電極を含み、負の周波数温度特性を有する第１構造部と、前記圧電体膜及び前記一対の電極に加えて前記温度補償膜を含み、正の周波数温度特性を有する第２構造部との対応する各層同士をそれぞれ並行して形成し、前記第１構造部と前記第２構造部とを電気的に並列に結合させることを特徴とする。
【００１５】
第１構造部と第２構造部の対応する各層同士、すなわち、各構造部における下部電極同士、圧電体層同士、上部電極同士、また、両構造部の対応する位置にそれぞれ温度補償膜が形成される場合には当該温度補償膜同士、をそれぞれ並行して形成することにより、工程数を低減することができ、製造コストを低減できるため、本発明の上記バルク音響振動子の製造に適している。ここで、対応する各層同士が同じ膜厚でよい場合には各層同士を単一工程で形成できるから、製造工程数をさらに低減できる。また、対応する各層同士の膜厚が異なる場合には、共通する部分を一工程で行うことができるとともに、膜厚の差分に相当する部分を当該一工程の前後に設けられた追加工程で成膜するか、或いは、上記一工程後にエッチング処理で除去することにより、上記差分の膜厚精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［第１実施形態］
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は第１実施形態のバルク音響振動子１０の構造を模式的に示す概略断面図、図２は同バルク音響振動子１０の平面図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態のバルク音響振動子１０は、シリコン基板等の半導体などで構成される基板１と、この基板１の開口部１ａ，１ｂ上に形成される積層構造である第１構造部１０Ａ及び第２構造部１０Ｂとで構成される。基板１上には酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁膜２が形成され、この絶縁膜２は上記開口部１ａ，１ｂ上にも形成されている。開口部１ａ，１ｂは基板１の裏面側からエッチング処理を施すこと等により形成され、このとき、絶縁膜２は当該エッチング工程におけるエッチングストップ層として機能するようになっている。
【００１８】
絶縁膜２上に形成された積層構造である第１構造部１０Ａ及び第２構造部１０Ｂは、それぞれ、Ｐｔ／Ｔｉの積層構造などの金属等の導電体よりなる下部電極１１Ａ，１１Ｂと、ＡｌＮ、ＺｎＯなどの圧電体よりなる圧電体膜１２Ａ，１２Ｂと、Ｐｔ／Ｔｉなどの金属等の導電体よりなる上部電極１３Ａ，１３Ｂと、非圧電体よりなる温度補償膜１４Ａ，１４Ｂとが順次に積層された構造を有する。当該積層構造においては、下部電極１１Ａ，１１Ｂと上部電極１３Ａ，１３Ｂとの間に交流電圧を印加することで、第１構造部１０Ａ及び第２構造部１０Ｂの内部に積層方向のバルク音響波が生成され、このバルク音響波の共振特性によって所定の共振周波数を備えた振動子が構成されるようになっている。
【００１９】
上記温度補償膜１４Ａ，１４Ｂは、上部電極１３Ａ，１３Ｂ上に形成されたＳｉＯ２、ＴｅＯ５、ＺｒＯｘ（ｘ＝１〜２）などの誘電体からなる薄膜で構成される。ただし、当該温度補償膜をＦｅ−Ｎｉ合金などの金属で構成することも可能である。これらの温度補償膜１４Ａ，１４Ｂは、バルク音響振動子１０の温度補償、つまり周波数温度特性の低減のためのものであり、第１構造部１０Ａ及び第２構造部１０Ｂのそれぞれの周波数温度特性を調整するために設けられている。すなわち、圧電体膜１２Ａ，１２Ｂの特性に起因して、温度補償膜１４Ａ，１４Ｂを含まない積層構造は一般的に負の周波数温度特性、つまり、温度が上昇すると共振周波数が低下する特性を備えたものとなるが、温度補償膜１４Ａ，１４Ｂを形成することで、第１構造部１０Ａの負の周波数温度特性の絶対値を低減し、また、第２構造部１０Ｂを正の周波数温度特性を備えたものとすることができる。
【００２０】
図２に示すように、基板１上（絶縁膜２上）には、上記下部電極１１Ａと１１Ｂとが導通パターン１１Ｃにて相互に導電接続され、この導通パターン１１Ｃには端子１１Ｄが設けられている。また、上記上部電極１３Ａと１３Ｂとが導通パターン１３Ｃにて相互に導電接続され、この導通パターン１３Ｃには端子１３Ｄが設けられている。これらの導通パターン１１Ｃ、１３Ｃによって第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂとが相互に電気的に並列に結合された状態とされ、その結果、単一のバルク音響振動子１０が構成される。
【００２１】
本実施形態では、第１構造部１０Ａが負の周波数温度特性を有し、第２構造部１０Ｂが正の周波数温度特性を有するものとされているため、第１構造部１０Ａの周波数温度特性が第２構造部１０Ｂの周波数温度特性によって補償され、バルク音響振動子１０全体としては共振周波数の温度依存性が充分に低くなるように構成されている。例えば、両者の周波数温度特性が相互に完全に打ち消し合う関係に設定されれば、バルク音響振動子１０の周波数温度係数は０になり、温度変化に対する共振周波数の高い安定性が得られる。
【００２２】
また、第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂとは常用温度域で相互に近似した共振周波数を有するように構成されている。共振周波数は、各構造部の積層構造中の各層の弾性特性、質量、膜厚等によって定まる。例えば、音響弾性波の伝播材質中の音速が早くなるほど共振周波数は高くなり、膜厚が大きくなるほど共振周波数は低下する。この場合、バルク音響振動子１０は、−４０℃以上８０℃以下、或いは、−２０度以上６０℃以下といった常用温度域内に共振周波数の大小が逆転する温度が存在するように構成されていることが好ましく、特に、その常用温度域の中心温度帯（２０〜３０℃の範囲内、例えば２５℃）において第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂの共振周波数が同一となるように設定されることが望ましい。
【００２３】
なお、上記実施形態では第１構造部１０Ａにも温度補償膜１４Ａを形成しているが、第１構造部１０Ａには温度補償膜１４Ａを形成せず、圧電体膜１２Ａ、下部電極１１Ａ及び上部電極１３Ａのみからなる積層構造としても構わない。ただし、この場合には第１構造部１０Ａの負の周波数温度係数の絶対値が大きくなるので、その分、第２構造部１０Ｂの温度補償膜１４Ｂの膜厚を増大させてその正の周波数温度係数を大きくする必要がある。
【００２４】
また、上記実施形態では、基板１に開口部１ａ，１ｂを形成しているが、基板１の表面に凹部を形成し、この凹部上に上記積層構造を形成することで、積層構造下に空洞が設けられるように構成してもよい。このような構造は、凹部内にレジスト、ＳｉＯ２膜またはＰＳＧ膜等の犠牲層を形成しておき、当該犠牲層上に上記の積層構造を形成し、その後、犠牲層をウエットエッチング等によって除去することで形成できる。また、基板１の表面上に上記積層構造内に生ずる共振周波数に対応した音響多層膜を形成し、この音響多層膜上に積層構造を形成することによってバルク音響弾性波が音響多層膜で反射されるように構成しても構わない。さらに、上記実施形態では第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂの下部電極同士及び上部電極同士を直接導電接続しているが、両者間にインダクタンスＬやキャパシタンスＣ、或いは、これら双方を介在させて電気的に接続してもよい。
【００２５】
さらに、本実施形態では、従来のように積層構造全体にわたり温度補償膜を形成する場合に比べて、補償精度を高めることが可能である。この点について図１５及び図１６を参照して以下に説明する。図１５は従来の温度補償無しのバルク音響振動子について、温度２５℃における共振周波数ｆｏに対する実際の共振周波数ｆの比率で表される周波数比ｆ／ｆｏの温度依存性を模式的に示すグラフ、図１３は本実施形態の第１構造部１０Ａ及び第２構造部１０Ｂのそれぞれの周波数比ｆ／ｆｏの温度依存性を模式的に示すグラフである。
【００２６】
従来のバルク音響振動子では、図１５に示すように、温度が高くなると共振周波数が単調に低下する負の周波数温度特性を示すが、これを補償するには、温度補償膜の膜厚を調整して周波数温度特性を示す図示のグラフがほぼ水平になるようにする必要がある。このようにするために必要とされる温度補償膜の膜厚は、温度補償膜の温度特性の強弱に依存するので、温度補償膜の温度特性が強ければ薄くて足り、弱ければ厚く形成する必要が生ずる。いずれの場合でも周波数温度特性を無くすために必要な要補償量は、温度補償膜の膜厚を制御することで達成されるため、温度補償膜の膜厚の制御精度によって周波数温度特性の補償精度、或いは、特性のばらつきが決定される。
【００２７】
一方、図１６に示すように、本実施形態の場合には、第１構造部１０Ａが負の周波数温度特性（図示実線）を有し、第２構造部１０Ｂが正の周波数温度特性（図示点線）を有するので、両構造部の周波数温度特性を図示例Ｐ，Ｑのように相互に打ち消し合うように設定すれば、バルク音響振動子１０全体の周波数温度特性が低減され、共振周波数を安定させることができる。
【００２８】
本実施形態の場合には、第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂとで温度補償膜の有無または温度補償膜の膜厚に相違がある。従って、本実施形態の場合は、従来のように振動子全体にわたり一様に形成された温度補償膜の膜厚を制御する場合よりも、第２構造部１０Ａの温度補償膜の膜厚が大きくなるとともに、当該膜厚によるバルク音響振動子１０全体の周波数温度特性への影響が小さくなる。その結果、温度補償膜の膜厚の制御精度が従来と同様であっても、全体の周波数温度特性をより高精度に設定することが可能になる。
【００２９】
例えば、従来の温度補償膜の膜厚の制御精度が１０ｎｍであり、この温度補償膜の膜厚差１０ｎｍに対応する周波数温度係数の変化量が５ｐｐｍ／℃であるとした場合、本実施形態では、温度補償膜の膜厚の制御精度が上記と同じ１０ｎｍであっても、一方の構造部の温度補償膜の膜厚差１０ｎｍに対応する周波数温度特性の変化量を例えば１〜２ｐｐｍ／℃程度にすることができるため、周波数温度特性を従来よりも高精度に低減することができる。
【００３０】
また、図示例Ｐのように第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂの周波数差が大きくなると効率的な共振状態を得ることができなくなる虞があるが、第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂの双方にそれぞれ温度補償膜１４Ａ、１４Ｂを形成することで、図示例Ｑのように第１構造部１０Ａの負の周波数温度特性を緩和するとともに、第２構造部１０Ｂの正の周波数温度特性をこれに合わせることで、より広い温度範囲において効率的な共振状態を実現できる。
【００３１】
さらに、本実施形態では、第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂの少なくとも一方において最上層、すなわち、上部電極１３Ａ，１３Ｂ上に温度補償膜１４Ａ，１４Ｂを形成しているため、第１構造部１０Ａ及び第２構造部１０Ｂを積層させた後に、例えば、エッチングや追加の成膜処理等によって温度補償膜１４Ａ，１４Ｂの膜厚を調整することが可能になる。特に、温度補償膜１４Ａ，１４Ｂのエッチングによる膜厚削減処理は温度補償膜１４Ａ，１４Ｂを上部電極１３Ａ，１３Ｂ上に形成する場合でなければ不可能である。
【００３２】
また、図１において第１構造部１０Ａ及び第２構造部１０Ｂの双方の温度補償膜１４Ａ，１４Ｂを共に上部電極１３Ａ，１３Ｂ上に形成していることで、同種の補正方法、例えば、エッチングによる膜厚削減処理のみを行う場合でも、第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂのいずれに当該処理を施すかを選択することにより、周波数温度特性を正側と負側のいずれにも調整することが可能になるというメリットがある。
【００３３】
本実施形態では第２構造部１０Ｂの温度補償膜１４Ｂの膜厚が第１構造部１０Ａの温度補償膜１４Ａの膜厚よりも大きいため、下部電極１１Ａ、１１Ｂ、圧電体膜１２Ａ，１２Ｂ及び上部電極１３Ａ，１３Ｂの積層構造の各層の膜厚を同一に設定しても、第２構造部１０Ｂの共振周波数が第１構造部１０Ａの共振周波数よりも低下する。したがって、第１構造部１０Ａの下部電極１１Ａ、圧電体膜１２Ａ及び上部電極１３Ａの積層構造の膜厚合計に対して、第２構造部１０Ｂの下部電極１１Ｂ、圧電体膜１２Ｂ及び上部電極１３Ｂの積層構造の膜厚合計を薄くするなどの方法により、第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂの常用温度域における共振周波数のずれを低減している。
【００３４】
また、本実施形態では、第１構造部１０Ａの温度補償膜１０Ａよりも第２構造部１０Ｂの温度補償膜１４Ｂの方が厚いので、温度補償膜の膜厚差によって第２構造部１０Ｂの信号強度が第１構造部１０Ａより低下する、すなわち、第２構造部１０Ｂの共振アドミタンス値が第１構造部１０Ａのそれよりも低くなる。このため、図２に示すように、第２構造部１０Ｂの面積を第１構造部１０Ａの面積より大きくし、両構造部の共振アドミタンス値（或いはその逆数であるインピーダンス値）の差を低減させている。このようにすることで、両構造部の結合バランスが改善され、補償精度が向上し、より安定した周波数温度特性を得ることができる。
【００３５】
本実施形態のバルク音響振動子１０を製造する場合には、第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂの対応する各層同士をそれぞれ並行して積層していくことが好ましい。すなわち、絶縁膜２上において、下部電極１１Ａと１１Ｂを同一工程で形成し、圧電体膜１２Ａと１２Ｂを同一工程で形成し、上部電極１３Ａと１３Ｂを同一工程で形成している。さらに、両構造部に共に温度補償膜を形成する場合には温度補償膜１４Ａと１４Ｂを同一工程で形成することが好ましい。なお、同一工程で同時に形成される対応する各層間に膜厚の相違がある場合には、当該工程の少なくとも一部の段階を共通に行えばよい。これらの各層の成膜処理は、例えば、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により行うことができる。なお、以上説明した上記の各点の構成については以下の各実施形態でも同様に採用できる。
【００３６】
［第２実施形態］
次に、図３乃至図６を参照して第２実施形態のバルク音響振動子１０′の構造について説明する。この第２実施形態では、上記第１実施形態の第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂを同様に有しているが、これらの構造部の少なくとも一方において温度補償膜１４Ａ，１４Ｂのいずれかが上部電極１０Ａ，１０Ｂの下に配置されている点で第１実施形態とは異なる。
【００３７】
図３に示す例では、第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂの双方に温度補償膜１４Ａ，１４Ｂを設けるとともに、これらの温度補償膜１４Ａ，１４Ｂをいずれも上部電極１３Ａ，１３Ｂの下、具体的には圧電体膜１２Ａ，１２Ｂと上部電極１３Ａ，１３Ｂの間に配置している。ここで、圧電体膜１２Ａ，１２Ｂの膜質の向上を図るためには、図示例の構造が好ましいが、これとは異なり、温度補償膜１４Ａ，１４Ｂを下部電極１１Ａ、１１Ｂと圧電体膜１２Ａ，１２Ｂの間に配置してもよい。いずれの場合でも、温度補償膜１４Ａ、１４Ｂを一対の電極１１Ａ，１１Ｂと１３Ａ，１３Ｂとの間に配置することにより、温度補償膜１４Ａ，１４Ｂの膜厚を薄くしても十分な温度補償を行うことができるため、積層構造全体を薄く形成することができる。なお、この点については他の例や他の実施形態でも同様である。また、この例でも、第１実施形態で述べたのと同様に、第１構造部１０Ａに温度補償膜を全く形成しないようにしてもよい。
【００３８】
図４に示す例では、第１構造部１０Ａの温度補償膜１４Ａを上部電極１３Ａ上に形成するとともに、第２構造部１０Ｂの温度補償膜１４Ｂを上部電極１３Ｂ下に配置している。このようにすると、後に説明するように、周波数温度特性を低減しつつ、第１構造部１０Ａの温度補償膜１４Ａの膜厚と、第２構造部１０Ｂの温度補償膜１４Ｂの膜厚の差を低減できる。この膜厚の差の低減は、共振周波数の整合性を確保するために好適であり、共振周波数を合わせるために、例えば第１構造部１０Ａの圧電体膜１２Ａと、第２構造部１０Ｂの圧電体膜１２Ｂとの膜厚の差を大きくしなくても共振周波数を整合させることができる。
【００３９】
図５に示す例では、第１構造部１０Ａの温度補償膜１４Ａを上部電極１３Ａの下に配置し、第２構造部１０Ｂの温度補償膜１４Ｂを上部電極１３Ａの上に配置している。このようにすると、温度補償膜１４Ｂの膜厚を大きくすることができるため、温度補償膜１４Ｂの膜厚を調整することで、周波数温度特性を高精度に補償できる。
【００４０】
図６に示す例では、第１構造部１０Ａに上部電極１３Ａ上に配置された温度補償膜１４Ａを設ける一方、第２構造部１０Ｂに上部電極１３Ｂ下に配置された温度補償膜１４Ｂ１と、上部電極１３Ｂ上に配置された温度補償膜１４Ｂ２とを設けている。このようにすると、第２構造部１０Ｂ全体の膜厚を低減できるとともに、第２構造部１０の最上層に温度補償膜１４Ｂ２を配置できるため、当該温度補償膜１４Ｂ２に対して膜厚の後調整を行うことが可能になる。なお、この例でも第１構造部１０Ａの温度補償膜１４Ａを形成しないようにしてもよく、また、第１構造部１０Ａにおいて、上記温度補償膜１４Ａの代わりに、或いは、上記温度補償膜１４Ａとともに、上部電極１３Ａ下に別の温度補償膜を配置してもよい。
【００４１】
本実施形態では、第１構造部１０Ａと第２構造部１０Ｂの少なくとも一方において、温度補償膜が下部電極と上部電極の間に配置されていることにより、温度補償膜の周波数温度特性への影響が大きくなるとともに、その結果、温度補償膜の膜厚が薄くても周波数温度特性を大きく変更させることが可能になる。
【００４２】
［第３実施形態］
次に、図７を参照して本発明に係る第３実施形態の構造について説明する。この実施形態では、上記の第１構造部と第２構造部を一体化された積層構造中に設けた点で、上記第１実施形態及び第２実施形態とは異なる。本実施形態のバルク音響振動子２０では、基板１の開口部１ａの上方において絶縁膜２上に下部電極２１、圧電体膜２２及び上部電極２３が順次に積層され、また、上部電極２３上に温度補償膜２４が形成されている。
【００４３】
本実施形態では、相互に異なる積層構造を有する第１構造部２０Ａ及び第２構造部２０Ｂが設けられ、上記各層のうち、少なくとも下部電極２１、圧電体膜２２及び上部電極２３は、第１構造部２０Ａと第２構造部２０Ｂの双方にわたりそれぞれ一体化された層として構成されている。
【００４４】
本実施形態において、温度補償膜２４は、第１構造部２０Ａと第２構造部２０Ｂとで異なる膜厚を有する。具体的には、図７に示すように、第１構造部２０Ａにおいて温度補償膜２４が形成されておらず、第２構造部２０Ｂにおいて所定の膜厚を有する温度補償膜２４が形成されている。ただし、先の各実施形態と同様に、第１構造部２０Ａにおいて薄い温度補償膜を形成し、第２構造部２０Ｂにおいて第１構造部２０Ａよりも厚い温度補償膜を形成するようにしてもよい。
【００４５】
本実施形態では、常用温度域において第１構造部２０Ａと第２構造部２０Ｂの共振周波数が一致するように、圧電体膜２２の膜厚を、第１構造部２０Ａにある部分２２Ａよりも第２構造部２０Ｂにある部分２２Ｂの方が薄くなるように構成している。これは、上記のように温度補償膜２４が第２構造部２０Ｂにのみ形成されていたり、或いは、第１構造部２０Ａよりも厚く形成されていたりすることにより、圧電体膜２２を両構造部にわたり同じ膜厚を有するものとした場合、第２構造部２０Ｂの共振周波数は第１構造部２０Ａより低くなるからである。本実施形態では、圧電体膜２２の第２構造部２０Ｂにある部分２２Ｂを薄く形成することで、第２構造部２０Ｂの共振周波数を上昇させている。
【００４６】
本実施形態においても、上記の各実施形態と同様に、第１構造部２０Ａにおいて負の周波数温度特性を有し、第２構造部２０Ｂにおいて正の周波数温度特性を有する。そして、第１構造部２０Ａの特性が第２構造部２０Ｂの特性によって補償されることで、バルク音響振動子２０の周波数温度特性が低減され、共振周波数の安定化を図ることができる。
【００４７】
本実施形態において、温度補償膜２４を第１構造部２０Ａと第２構造部２０Ｂの双方において連続的に形成する場合には、レジスト等によるマスクを形成することで、温度補償膜２４のうちいずれか一方の構造部に形成される部分のみ膜厚の調整を行う（成膜後にエッチング等による膜厚削減処理を行ったり、或いは、工程前後に追加の成膜処理を行ったりする）ことができる。この方法は、圧電体膜２２に互いに膜厚の異なる部分２２Ａ、２２Ｂを形成する場合にも同様に用いることができる。なお、その他の効果については基本的に上記各実施形態と同様であるので、それらの説明については省略する。
【００４８】
［第４実施形態］
次に、図８を参照して、本発明に係る第４実施形態のバルク音響振動子２０′について説明する。この実施形態は、上記第３実施形態と同様に第１構造部２０Ａと第２構造部２０Ｂを一体に構成した点に特徴を有するものであって、第３実施形態の構造とは温度補償膜２４の形成位置が異なるだけであるため、第３実施形態と対応する部分には同一符号を付し、同様の点については説明を省略する。
【００４９】
本実施形態では、圧電体膜２２と上部電極２３との間に温度補償膜２４が形成されている点で第３実施形態とは異なるが、この相違点は第２実施形態で述べたところと基本的に同様であるので、説明を省略する。この温度補償膜２４については第３実施形態で説明したのと同様に第１構造部２０Ａと第２構造部２０Ｂとで温度補償膜の有無や膜厚が異なるように構成される。
【００５０】
［実施例の特性］
次に、図９乃至図１４を参照して、上記各実施形態に関連するバルク音響振動子の積層構造の特性について説明する。以下に示す特性は、基板１として厚みが２００〜３００μｍ程度のシリコン単結晶基板を用い、下部電極として膜厚３０ｎｍのＴｉ層の上に膜厚１５０ｎｍのＰｔ層を形成したものを用い、圧電体膜として膜厚７００ｎｍのＡｌＮ層を形成したものを用い、さらに、上部電極として膜厚３０ｎｍのＴｉ層の上に膜厚１５０ｎｍのＰｔ層を形成したものを用い、温度補償膜としてＳｉＯ２（酸化シリコン）層を形成してなる例に対するものである。
【００５１】
図９は、バルク音響振動子の周波数温度係数Δｆ／ｆｏ［ｐｐｍ／℃］（Δｆは１℃当たりの共振周波数の変化量）の温度補償膜の膜厚依存性を示すグラフである。ここで、図示破線は図２に示すように温度補償膜を上部電極下に形成した場合の特性、図示一点鎖線は図１に示すように温度補償膜を上部電極上に形成した場合の特性を示す。図９に示すように、温度補償膜がない場合には周波数温度係数が−４０［ｐｐｍ／℃］程度であるが、温度補償膜の膜厚を増大させるに従って周波数温度係数が単調に増加しているのがわかる。
【００５２】
また、温度補償膜を上部電極下に形成した場合には、温度補償膜の膜厚がｘ（４０〜５０ｎｍ程度）で周波数温度係数がほぼ０となり、温度補償膜の膜厚に対する周波数温度係数の依存性がきわめて大きいが、温度補償膜を上部電極上に形成した場合には、温度補償膜の膜厚がｙ（５４０〜６００ｎｍ程度）で周波数温度係数がほぼ０となり、温度補償膜の膜厚に対する周波数温度係数の依存性が緩やかであることがわかる。
【００５３】
したがって、上記の特性により、従来の単一構造で周波数温度特性を補償しようとすれば、例えば温度補償膜を上部電極下に形成する場合には温度補償膜の膜厚を図示ｘ（４０〜５０ｎｍ程度）、温度補償膜を上部電極上に形成する場合には温度補償膜の膜厚を図示ｙ（５４０〜６００ｎｍ程度）とすればよい。ここで、温度補償膜を上部電極下に形成する場合には、温度補償膜の膜厚が薄くても足りるため製造効率は高いが、温度補償膜の膜厚に対する周波数温度係数の依存性が強いため、１０ｎｍ程度の成膜精度でも周波数温度特性に或る程度のばらつきが生ずる。これに対して、温度補償膜を上部電極上に形成する場合には、温度補償膜の膜厚に対する周波数温度係数の依存性が弱いため、周波数温度特性を低減し、共振周波数を安定させることは比較的容易であるが、温度補償膜を厚く形成する必要があることから製造効率が悪化する。また、温度補償膜が厚くなることにより共振周波数が低下する一方、共振周波数の低下を回避するために圧電体膜を薄く形成すると振動子強度の低下や膜質の悪化による電気機械結合係数の低下などが生じるなど、高周波化が難しくなるという問題点がある。
【００５４】
一方、本実施形態では、負の周波数温度特性を備えた第１構造部と正の周波数温度特性を備えた第２構造部とで互いに周波数温度特性を補償し合い、バルク音響振動子全体の周波数温度特性を低減しているので、第１構造部と第２構造部の温度補償膜の位置及び膜厚によって種々の方法でバルク音響振動子全体の周波数温度特性を低減することができる。具体的には、第１構造部に温度補償膜を形成せず、第２構造部のみに温度補償膜を形成する場合には、バルク音響振動子全体に温度補償膜を形成する従来構造に比べて、温度補償に必要な第２構造部の温度補償膜の膜厚が相対的に増大するので、当該温度補償膜の膜厚の制御精度が同程度であっても、従来構造よりも高精度に周波数温度特性を設定することが可能になる。
【００５５】
また、第１構造部と第２構造部の双方に温度補償膜を形成する場合でも、第２構造部に正の周波数温度特性を設ける必要があることには変わりがないために第２構造部の温度補償膜の膜厚は従来よりも大きくなるから、上記の点は同様に妥当する。また、この場合には、第１構造部の周波数温度特性も緩和されるとともに、この緩和された第１構造部の周波数温度特性に合わせて第２構造部の周波数温度特性を設定すればよいので、周波数温度特性の後調整が容易になるという利点がある。例えば、図１０に示すように、上部電極下に膜厚１０ｎｍの温度補償膜を形成すると負の周波数温度特性が得られ、上記電極下に膜厚１００ｎｍの温度補償膜を形成すると正の周波数温度特性が得られるが、いずれの周波数温度特性も、温度補償膜のないバルク音響振動子の周波数温度特性よりも緩和された特性を有している。
【００５６】
さらに、本実施形態では、温度補償膜の形成態様に関する選択肢が増大し、様々な組合せで好適な振動子特性を狙うことが可能になる。すなわち、第１構造部に温度補償膜を形成しない場合には、図９に示すように、第２構造部の温度補償膜の膜厚を図示ｅ（１８０〜１９０ｎｍ程度）とするか、或いは、図示ｆ（７８０〜８００ｎｍ程度）とすればよく、また、第１構造部と第２構造部の双方に共に温度補償膜を形成する場合には、第１構造部の温度補償膜の膜厚を図示ａ（１０〜２０ｎｍ程度）とし、第２構造部の温度補償膜の膜厚を図示ｂ（１００〜１１０ｎｍ程度）とすること、或いは、第１構造部の膜厚を図示ｃ（３９０〜４１０ｎｍ程度）とし、第２構造部の膜厚を図示ｄ（６７０〜６９０ｎｍ程度）とすることで、周波数温度特性を低減できるほか、第１構造部の温度補償膜の膜厚を図示ｃとし、第２構造部の温度補償膜の膜厚を図示ｂとすることによっても周波数温度特性を低減できる。また、上記の第２実施形態で示したようにバルク音響振動子における温度補償膜の位置及び膜厚の複数の組合せが可能であることにより、共振周波数を広い範囲に設定できるなど、素子設計の自由度が増大するという利点がある。
【００５７】
図１１は、図１０に示す２つの周波数温度特性を備えたバルク音響振動子におけるアドミタンス特性を示すグラフである。上部電極下に膜厚１００ｎｍの温度補償膜を形成した場合には共振周波数ｓ（１．８５ＧＨｚ程度）であり、上部電極下に膜厚１０ｎｍの温度補償膜を形成した場合の共振周波数ｔ（２．３ＧＨｚ程度）より低くなる。これは、温度補償膜が厚くなることにより振動子の質量が増大したためと考えられる。
【００５８】
図１２には、上部電極下の温度補償膜の膜厚と共振周波数との関係を示す。上記のように、温度補償膜を厚くすると共振周波数は単調に低下していく。したがって、第１構造部と第２構造部の共振周波数をなるべく一致させるためには、温度補償膜以外の積層構造を両構造部において異なる厚みに形成しておく必要がある。
【００５９】
図１３には、上部電極下の温度補償膜の膜厚が一定（１００ｎｍ）のときの圧電体膜の膜厚と共振周波数との関係を示す。このように、圧電体膜の膜厚が小さくなると共振周波数は単調に増大する。例えば、上部電極下の温度補償膜の膜厚が１００ｎｍのときに圧電体膜の膜厚を５００ｎｍまで薄くすると、共振周波数は上部電極下の温度補償膜の膜厚が１０ｎｍで圧電体膜の膜厚が７００ｎｍのときの共振周波数とほぼ一致する。したがって、第１構造部の圧電体膜の膜厚を厚く（例えば７００ｎｍ）し、第２構造部の圧電体膜の膜厚を薄く（例えば５００ｎｍ）しておくことで、異なる厚みの温度補償膜を形成しても両構造部の共振周波数のずれを低減することができる。
【００６０】
また、図９に示すように、上部電極下に膜厚１００ｎｍの温度補償膜を形成した場合の共振アドミタンスは上部電極下に膜厚１０ｎｍの温度補償膜を形成した場合の共振アドミタンスよりも小さい。これは、非圧電体（誘電体）よりなる温度補償膜が厚くなることにより振動子のインピーダンスが増大したためと考えられる。このように第２構造部の温度補償膜の膜厚を第１構造部よりも大きくした場合、第１構造部と第２構造部の特性を整合させるために、第２構造部の共振アドミタンスを増加させる必要がある。これには、例えば、第１構造部に対して、第２構造部の面積を増大させることが考えられる。
【００６１】
図１４には、圧電体膜の膜厚が７００ｎｍのときの上部電極下の温度補償膜の膜厚と共振アドミタンスとの関係を示す。これによれば、温度補償膜の膜厚が小さくなると共振アドミタンスは増大することがわかる。例えば、上部電極下の温度補償膜の膜厚が１００ｎｍの場合に比べて、上部電極下の温度補償膜の膜厚が１０ｎｍの場合の共振アドミタンスは１０倍程度になるため、前者の温度補償膜の膜厚を備えた第２構造部の面積を後者の温度補償膜の膜厚を備えた第１構造部の面積の１０倍とすれば、両構造部の共振アドミタンスがほぼ均衡することとなる。すなわち、両構造部の面積比を単位面積当たりの共振アドミタンス比の逆数とすることで、共振アドミタンスの均衡を図ることができる。
【００６２】
尚、本発明のバルク音響振動子は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１実施形態のバルク音響振動子の断面構造を模式的に示す縦断面図。
【図２】第１実施形態のバルク音響振動子の平面構造を模式的に示す平面図。
【図３】第２実施形態のバルク音響振動子の構成例１を模式的に示す縦断面図。
【図４】第２実施形態のバルク音響振動子の構成例２を模式的に示す縦断面図。
【図５】第２実施形態のバルク音響振動子の構成例３を模式的に示す縦断面図。
【図６】第２実施形態のバルク音響振動子の構成例４を模式的に示す縦断面図。
【図７】第３実施形態のバルク音響振動子の断面構造を模式的に示す縦断面図。
【図８】第４実施形態のバルク音響振動子の断面構造を模式的に示す縦断面図。
【図９】バルク音響振動子の温度補償膜の膜厚に対する周波数温度係数の依存性を示すグラフ。
【図１０】バルク音響振動子の周波数比の温度依存性を示すグラフ。
【図１１】バルク音響振動子のアドミタンス特性を示すグラフ。
【図１２】バルク音響振動子の温度補償膜の膜厚と共振周波数との関係を示すグラフ。
【図１３】バルク音響振動子の圧電体膜の膜厚と共振周波数との関係を示すグラフ。
【図１４】バルク音響振動子の温度補償膜の膜厚と共振アドミタンスとの関係を示すグラフ。
【図１５】従来のバルク音響振動子の温度補償膜による補償方法を説明するための周波数比の温度依存性を示すグラフ。
【図１６】実施形態の補償方法を説明するための周波数比の温度依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６４】
１…基板、１ａ，１ｂ…開口部、２…絶縁膜、１０…バルク音響振動子、１０Ａ…第１構造部、１０Ｂ…第２構造部、１１Ａ、１１Ｂ…下部電極、１２Ａ，１２Ｂ…圧電体膜、１３Ａ，１３Ｂ…上部電極、１４Ａ，１４Ｂ…温度補償膜、１１Ｃ，１３Ｃ…導通パターン、１１Ｄ，１３Ｄ…端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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