(57)【要約】【課題】ＭＲ（Ｓｏｌｉｄｌｙ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）型の圧電薄膜振動子などの圧電薄膜素子の共振周波数温度係数をほぼ０としたうえで、Ｑ値の劣化を抑制する。【解決手段】音響多層膜１０４に固定されたＺｎＯからなる圧電薄膜１０６の上に、ＳｉＯ２からなる補正層１０８を配置し、補正層１０８だけではなく、音響多層膜１０４を構成している低音響インピーダンス層１０３及び高音響インピーダンス層１０２の膜厚を最適化する。【選択図】        図１
2004235887.tif 000002
【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ＺｎＯからなる圧電薄膜と、
この圧電薄膜の上に形成された第２電極膜と、
この第２電極膜の上に形成されたＳｉＯ２からなる補正層と
を少なくとも備え、
前記圧電薄膜による共振周波数をＦ０としたとき、
前記低音響インピーダンス層は、周波数Ｆ０の音波が前記低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の０．３２倍〜０．３４倍の厚さに形成され、
前記高音響インピーダンス層は、周波数Ｆ０の音波が前記高音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の０．３倍〜０．３５倍の厚さに形成され、
前記補正層は、周波数Ｆ０の音波が前記補正層を伝搬するときの波長の０．２３倍〜０．２５倍の厚さに形成され
た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、
前記低音響インピーダンス層は、周波数Ｆ０の音波が前記低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の実質的に０．３３倍の厚さに形成され、
前記高音響インピーダンス層は、周波数Ｆ０の音波が前記高音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の実質的に０．３５倍の厚さに形成され、
前記補正層は、周波数Ｆ０の音波が前記補正層を伝搬するときの波長の実質的に０．２４倍の厚さに形成され
たことを特徴とする圧電薄膜素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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、板厚を３０〜４０μｍ程度とすることで、５０ＭＨｚ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、板厚を薄くすればするほど、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の厚さの圧電薄膜を設けた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中で、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の膜厚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）。
【０００６】
【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．
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術では、温度特性を改善するために新たな膜を付加しているが、圧電薄膜振動子のＱ値や実効的電気機械係数係数（Ｋ２）について考慮されていない。このため、従来の技術では、圧電薄膜振動子の温度特性を改善することはできるが、Ｑ値の劣化を招く場合があった。
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（Ｓｏｌｉｄｌｙ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）型の圧電薄膜振動子などの圧電薄膜素子の共振周波数温度係数をほぼ０としたうえで、Ｑ値の劣化を抑制することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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ＺｎＯからなる圧電薄膜と、この圧電薄膜の上に形成された第２電極膜と、この第２電極膜の上に形成されたＳｉＯ２からなる補正層とを少なくとも備え、圧電薄膜による共振周波数をＦ０としたとき、低音響インピーダンス層は、周波数Ｆ０の音波が低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の０．３２倍〜０．３４倍の厚さに形成し、高音響インピーダンス層は、周波数Ｆ０の音波が高音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の０．３倍〜０．３５倍の厚さに形成し、補正層は、周波数Ｆ０の音波が補正層を伝搬するときの波長の０．２３倍〜０．２５倍の厚さに形成したものである。好ましくは、低音響インピーダンス層は、周波数Ｆ０の音波が低音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の実質的に０．３３倍の厚さに形成し、高音響インピーダンス層は、周波数Ｆ０の音波が高音響インピーダンス層を伝搬するときの波長の実質的に０．３５倍の厚さに形成し、補正層は、周波数Ｆ０の音波が補正層を伝搬するときの波長の実質的に０．２４倍の厚さに形成すればよい。
この圧電薄膜素子は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる圧電薄膜に対して遅延時間温度係数が逆符号となっている補正層を圧電薄膜の上に配置することで、共振周波数温度係数を「０」とし、かつ、高音響インピーダンス層，低音響インピーダンス層の膜厚をＱ値に対して最適化してる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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、高音響インピーダンス層１０２，低音響インピーダンス層１０３の順に積層された音響多層膜１０４を備えている。
【００１０】
音響多層膜１０４の上には、電極膜１０５，１０７に挟まれたＺｎＯからなる圧電薄膜１０６が形成されている。また、電極膜１０５，１０７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１０６の共振周波数をＦ０とすると、圧電薄膜１０６の膜厚は、周波数Ｆ０の音波が圧電薄膜１０６を伝搬するときの波長λの半分としたものである。
【００１１】
ところで、上記の膜厚は、一般に、「圧電薄膜１０６の膜厚は、１／２λの厚さを有する」と表現される。従って、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、「低音響インピーダンス層１０３の膜厚は、１／４λである」とは、低音響インピーダンス層１０３の膜厚は、周波数Ｆ０の音波が単独の低音響インピーダンス層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。
【００１２】
ここで、圧電薄膜１０６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１０６の厚さだけではなく、電極膜１０５，１０７にも影響され、圧電薄膜１０６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１０５，１０７による影響が大きい場合は、例えば圧電薄膜１０６の厚さを、適宜変更すればよい。
【００１３】
音響多層膜１０４において、高音響インピーダンス層１０２は、例えばＺｎＯから構成され、低音響インピーダンス層１０３は、例えばＳｉＯ２から構成されたものであり、高音響インピーダンス層１０２は、低音響インピーダンス層１０３より音響インピーダンスが高い層となっている。これらは、相対的なものである。
このように構成された音響多層膜１０４により、圧電薄膜１０６と基板１０１とが音響的にアイソレートされるようになり、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１０６が、音響多層膜１０４により全面で保持されているため、安定した動作が可能となる。
【００１４】
音響多層膜１０４の層数の増加に伴い、圧電薄膜１０６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１０４を、例えば８層以上の多層とすることで、圧電薄膜１０６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。
【００１５】
加えて、本実施の形態では、電極膜１０７の上に、ＳｉＯ２からなる補正層１０８を形成し、補正層１０８の膜厚（ｄ１）は、０．２３λ〜０．２５λに形成し、低音響インピーダンス層１０２の膜厚（ｄｌ）は、０．３２λ〜０．３４λに形成し、高音響インピーダンス層１０３の膜厚（ｄｈ）は、０．３λ〜０．３５λに形成することで、図１に示す圧電薄膜素子の共振周波数温度係数（ＴＣＦ）を「０」とした状態で、Ｑ値の劣化を抑制するようにした。
【００１６】
上述した各膜厚の範囲において、より好ましくは、補正層１０８の膜厚（ｄ１）は、実質的に０．２４λとなるように形成し、低音響インピーダンス層１０２の膜厚（ｄｌ）は、実質的に０．３３λに形成し、高音響インピーダンス層１０３の膜厚（ｄｈ）は、実質的に０．３５λに形成することで、最も良いＱ値が得られるようになる。
【００１７】
ＳｉＯ２の薄膜（非晶質）は、酸化亜鉛からなる圧電薄膜１０６とは、ＴＣＤ（遅延時間温度係数）が互いに逆符号であり、このような材料を、補正層１０８として用い、加えて各層の厚さを上述したようにすることで、Ｑ値の劣化を抑制した状態で、図１に示す圧電薄膜素子のＴＣＦを「０」とすることが可能となる。
【００１８】
低音響インピーダンス層１０２及び高音響インピーダンス層１０３の膜厚をλ／４とした状態で、補正層１０８の膜厚ｄ１を約０．２λにすることで、図２に示すように、ＴＣＦをほぼ「０」とすることができる。なお、圧電薄膜１０６による共振周波数が３ＧＨｚ程度の場合、λ／４の厚さを有するとは、例えば、ＳｉＯ２からなる低音響インピーダンス層１０２が０．４６μｍ程度であり、ＺｎＯからなる高音響インピーダンス層１０３が０．４１μｍ程度となるこをと示している。
【００１９】
しかしながら、発明者らの調査により、補正層１０８を形成することでＱ値が劣化することが判明した。
発明者らの調査により、ＴＣＦ＝０を満足した状態で、補正層１０８の膜厚ｄ１と低音響インピーダンス層１０２の膜厚ｄｌと高音響インピーダンス層１０３の膜厚ｄｈとを各々変化させると、図３に示すように、Ｑ値に変化があることが判明した。図３において、白四角は高音響インピーダンス層１０３の膜厚ｄｈを０．２λとした場合を示し、黒三角は高音響インピーダンス層１０３の膜厚ｄｈを０．２５λとした場合を示し、白丸は高音響インピーダンス層１０３の膜厚ｄｈを０．３λとした場合、黒四角は高音響インピーダンス層１０３の膜厚ｄｈを０．３５λとした場合、白三角は高音響インピーダンス層１０３の膜厚ｄｈを０．４λとした場合、を示している。なお、図３では、低音響インピーダンス層の膜厚ｄｌについては示していない。
【００２０】
図３から明らかなように、高音響インピーダンス層１０３の膜厚ｄｈを０．３５λとし、補正層１０８の膜厚ｄ１を０．２４λ程度としたときに、Ｑ値が最も良くなっている。なお、このとき、低音響インピーダンス層１０４の膜厚ｄｌは、０．３３λ程度となる。また、上述した各解析結果は、電極膜１０５，１０７の厚さは０としている。
【００２１】
従って、補正層１０８は０．２４λに形成し、低音響インピーダンス層１０２は０．３３λに形成し、高音響インピーダンス層１０３は０．３５λに形成することで、Ｑ値の劣化を抑制した状態で、ＴＣＦを「０」とすることが可能となる。
ところで、図１の圧電薄膜素子の共振周波数を２．４ＧＨｚ程度とする場合、膜厚０．２４λとなる補正層１０８は、４５０ｎｍ程度となる。このように薄い膜を形成する場合、製造バラツキなどを考慮すると、各膜厚は０．０２λ程度はばらつくものと考えられる。
【００２２】
このようなバラツキが存在する状態で、図３に示す特性を考慮すると、補正層１０８は、０．２３λ〜０．２５λの範囲に形成し、高音響インピーダンス層１０３は、０，３λ〜０，３５λの範囲に形成すれば、ＴＣＦを「０」としたなかで、Ｑ値の劣化がほぼ抑制された状態が得られたものといえる。なお、上述した範囲に対応する低音響インピーダンス層１０２の膜厚は、０．３２λ〜０．３４λとなる。
【００２３】
近年、通信量の加速度的な増加に伴って通信システムのより一層の高周波化が要求されているが、上述したように、本実施の形態における圧電薄膜素子によれば、ＴＣＦがほぼ「０」となり、かつＱ値の高い超高周波で使用できる弾性波素子を提供できるようになる。
なお、上述では、高音響インピーダンス層にＺｎＯの層を用い、低音響インピーダンス層にＳｉＯ２の層を用いるようにしたが、これに限るものではない。他の構成の音響多層膜を用いるようにしても良い。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、音響多層膜に固定されたＺｎＯからなる圧電薄膜の上に、ＳｉＯ２からなる補正層を配置し、この補正層の膜厚とともに、音響多層膜を構成している低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層の膜厚を最適化した。この結果、本発明によれば、Ｑ値の劣化を抑制した状態で、ＴＣＦをほぼ「０」とした圧電薄膜素子を提供できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における圧電薄膜素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図２】補正層の厚さによるＴＣＦの変化を示す特性図である。
【図３】補正層の厚さと高音響インピーダンス層の厚さとによるＱ値の変化を示す特性図である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…高音響インピーダンス層、１０３…低音響インピーダンス層、１０４…音響多層膜、１０５，１０７…電極膜、１０６…圧電薄膜、１０８…補正層。
【図１】
2004235887.tif 000003
【図２】
2004235887.tif 000004
【図３】
2004235887.tif 000005