(57)【要約】【課題】  圧電共振器において、上部電極の膜厚を厚くしつつ良好なＱ特性を得る。【解決手段】  基板１１上において圧電膜１４を挟んで形成された下部電極１３と上部電極１６とを備え、下部電極１３と上部電極１６とに電圧を印加することで圧電膜１４の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器であって、使用周波数帯域における共振周波数近傍で発生する定在波が、上部電極１６の圧電膜１４と反対側の界面に第１の波腹Ｌ１を有し、当該界面から圧電膜１４側に向かう上部電極１６の内部に波節Ｎおよび第２の波腹Ｌ２を有するようにする。上部電極１６の膜厚は、上部電極１６中における定在波の波長をλとしたときに０．４λ〜０．７λとする。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上において圧電膜を挟んで形成された下部電極と上部電極とを備え、前記下部電極と前記上部電極とに電圧を印加することで前記圧電膜の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器であって、
使用周波数帯域における共振周波数近傍で発生する定在波が、前記上部電極の前記圧電膜と反対側の界面に第１の波腹を有し、当該界面から前記圧電膜側に向かう前記上部電極の内部に波節および第２の波腹を有することを特徴とする圧電共振器。
【請求項２】
前記上部電極中における前記定在波の波長をλとしたとき、前記上部電極膜厚が０．４λ〜０．７λであることを特徴とする請求項１記載の圧電共振器。
【請求項３】
前記上部電極は、Ａｌ、ＡｕまたはＭｏで構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の圧電共振器。
【請求項４】
前記上部電極は、導体層、絶縁層、導体層の順に積層形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の圧電共振器。
【請求項５】
前記上部電極は、Ａｌ膜、ＳｉＯ２膜、Ａｌ膜の順に積層形成され、それぞれの膜における前記定在波の波長で規格化した規格化膜厚の係数の合計が０．４〜０．７であることを特徴とする請求項４記載の圧電共振器。
【請求項６】
前記基板と前記下部電極との間には相互に音響インピーダンスの異なる膜が積層されてなる音響多層膜が形成され、
前記音響多層膜と前記下部電極との間には、所定の音響インピーダンスを有するとともに前記定在波の波長をλとしたときの膜厚が０．０１λ〜０．１λである層間膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電共振器。
【請求項７】
前記層間膜はＡｌＮで構成されていることを特徴とする請求項６記載の圧電共振器。
【請求項８】
前記上部電極と前記圧電膜との間には誘電体膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電共振器。
【請求項９】
前記誘電体膜はＳｉＯ２膜であることを特徴とする請求項８記載の圧電共振器。
【請求項１０】
前記圧電共振器は、ＳＭＲ型圧電共振器またはダイヤフラム型圧電共振器であることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の圧電共振器。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の圧電共振器が用いられていることを特徴とする電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電共振器に関し、特に圧電共振器におけるＱ特性（インピーダンス比＝反共振抵抗値／共振抵抗値）の向上に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バルク波（ＢＡＷ  −  Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）を用いた水晶振動子等の圧電共振器においては、Ｑ特性を向上させて良好な周波数特性を得るためには、上部電極の膜厚が係わっている。そして、共振周波数近傍で発生する定在波の波長をλとすると、上部電極の厚みとしては０．０６λ〜０．１５λ程度が使用されている。
【０００３】
実効的結合係数の制御等のためには上部電極の電極膜厚を厚くすることが有効であるが、膜厚が厚くなるに従ってＱ特性が劣化することから、概ね上記の範囲を大きく外れることのない膜厚となっていたものである。
【０００４】
なお、圧電共振器における周波数特性の向上については、例えば米国特許第６，４７２，９５４号に記載がある。
【特許文献１】米国特許第６，４７２，９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上部電極の厚みを薄くすると、上部電極と同一の工程で作成された薄い配線層でも電気抵抗が増大してしまう。
【０００６】
上部電極とは別工程で、あるいは上部電極と同一工程で作成した後に追加する工程で、配線層の厚みを厚くすることはできるものの、工程が増大してコストが上昇するために好ましくない。
【０００７】
そして、このような問題は、共振器のみならず、それを用いたフィルタなどにも共通する。
【０００８】
そこで、本発明は、上部電極の膜厚を厚くしつつ良好なＱ特性を得ることのできる圧電共振器およびそれを用いた電子部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係る圧電共振器は、基板上において圧電膜を挟んで形成された下部電極と上部電極とを備え、前記下部電極と前記上部電極とに電圧を印加することで前記圧電膜の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器であって、使用周波数帯域における共振周波数近傍で発生する定在波が、前記上部電極の前記圧電膜と反対側の界面に第１の波腹を有し、当該界面から前記圧電膜側に向かう前記上部電極の内部に波節および第２の波腹を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の好ましい形態において、前記上部電極中における前記定在波の波長をλとしたとき、前記上部電極膜厚が０．４λ〜０．７λであることを特徴とする。
【００１１】
本発明のさらに好ましい形態において、前記上部電極は、Ａｌ、ＡｕまたはＭｏで構成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明のさらに好ましい形態において、前記上部電極は、導体層、絶縁層、導体層の順に積層形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明のさらに好ましい形態において、前記上部電極は、Ａｌ膜、ＳｉＯ２膜、Ａｌ膜の順に積層形成され、それぞれの膜における前記定在波の波長で規格化した規格化膜厚の係数の合計が０．４〜０．７であることを特徴とする。
【００１４】
本発明のさらに好ましい形態において、前記基板と前記下部電極との間には相互に音響インピーダンスの異なる膜が積層されてなる音響多層膜が形成され、前記音響多層膜と前記下部電極との間には、所定の音響インピーダンスを有するとともに前記定在波の波長をλとしたときの膜厚が０．０１λ〜０．１λである層間膜が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明のさらに好ましい形態において、前記層間膜はＡｌＮで構成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明のさらに好ましい形態において、前記上部電極と前記圧電膜との間には誘電体膜が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明のさらに好ましい形態において、前記誘電体膜はＳｉＯ２膜であることを特徴とする。
【００１８】
本発明のさらに好ましい形態において、前記圧電共振器は、ＳＭＲ型圧電共振器またはダイヤフラム型圧電共振器であることを特徴とする。
【００１９】
本発明の電子部品は、前述した圧電共振器が用いられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば以下の効果を奏することができる。
【００２１】
すなわち、本発明によれば、上部電極中における定在波が第１の波腹に加えて波節および第２の波腹を有しているので、圧電膜中におけるバルク波の振動エネルギーの減少が抑制され、良好なＱ特性を得ることが可能になる。そして、このような定在波分布は上部電極の膜厚を所定の厚みにすることにより得られることから、上部電極の膜厚を厚くしつつ良好なＱ特性を得ることのできる圧電共振器が得られる。
【００２２】
また、本発明によれば、このように上部電極の膜厚を厚くできることから、電極膜の形成とは別工程で電極膜厚より厚い膜を配線層のために形成して配線の電気抵抗を削減する必要がなく、上部電極と同一の工程で膜厚の厚い低抵抗の配線層を形成することが可能になるので、工程の簡略化および製造コストの削減を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。
【００２４】
図１は本発明の一実施の形態である圧電共振器を示す断面図、図２は異なる膜厚の上部電極を備えた従来の圧電共振器における共振特性を示すグラフ、図３は本発明者が検討対象とした圧電共振器における共振特性を示すグラフ、図４は図１の圧電共振器において上部電極の膜厚を変えた場合での共振特性を示すグラフ、図５は従来の圧電共振器における定在波分布を示すグラフ、図６は従来の他の圧電共振器における定在波分布を示すグラフ、図７は図１の圧電共振器における定在波分布を示すグラフ、図８は上部電極の規格化膜厚とＱ値との関係を示すグラフ、図９は本発明の他の実施の形態である圧電共振器を示す断面図、図１０は本発明のさらに他の実施の形態である圧電共振器を示す断面図である。
【００２５】
図１に示す圧電共振器はＳＭＲ（Ｓｏｌｉｄｌｙ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）型圧電共振器と呼ばれるもので、シリコンやガラスからなる基板１１の片面に、音響インピーダンスが相互に異なる薄膜、たとえば音響インピーダンスが高いＡｌＮ膜１２ａと音響インピーダンスが低いＳｉＯ２膜１２ｂとが交互に積層されてなる音響多層膜１２が形成されている。音響多層膜１２上には、たとえばＡｌからなる下部電極１３、たとえばＡｌＮやＺｎＯからなる圧電膜１４、たとえばＳｉＯ２膜からなる誘電体膜１５、およびたとえばＡｌからなる上部電極１６が所定形状にパターニングされて順次積層形成されている。
【００２６】
このような圧電共振器において、励振用電極である下部電極１３と上部電極１６とに交流電圧を印可すると、圧電効果により圧電膜１４の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号が得られる。
【００２７】
なお、音響多層膜１２は形成されていなくてもよく、この場合には基板１１上に直接下部電極１３が形成される。また、下部電極１３および上部電極１６は、たとえばＡｕやＭｏなど、他の導電性材料で構成してもよい。さらに、誘電体膜１５はＳｉＯ２膜以外の誘電体で形成することができるのみならず、当該膜は形成されていなくてもよい。
【００２８】
また、上部電極１６および下部電極１３とは、基板１１を下にしたときに上部に位置する電極を上部電極１６、下部に位置する電極を下部電極１３というものである。
【００２９】
ここで、本実施の形態において、上部電極１６の膜厚は１．９μｍとなっている。これは、使用される周波数帯域における共振周波数近傍で発生する定在波の波長をλとしたとき、０．５７λである。なお、定在波の波長は膜（電極および薄膜）の種類によって異なることから、本明細書における定在波の波長とは、各電極中あるいは各薄膜中で発生した定在波に固有の波長を指す。
【００３０】
従来の圧電共振器における共振特性を図２に示す。図２では、上部電極がＡｌで構成された圧電共振器において、その膜厚を０．３μｍ（０．０９λ）、０．５μｍ（０．１５λ）、０．７μｍ（０．２１λ）としたときの共振特性を示している。
【００３１】
図２において、上部電極の膜厚を厚くすることにより共振周波数が低下し、実効的結合係数が小さくなっていくことがわかる。そして、上部電極を厚くした圧電共振器を所望の周波数で利用するには、下部電極あるいは圧電膜の厚みを調整することによってなされる。しかしながら、この操作によりさらに共振特性が劣化するため、従来では、これ以上の膜厚について検討されることはなかった。
【００３２】
ここで、本発明者は、上部電極の膜厚をさらに厚くした圧電共振器を作成して検討を行った。本発明者が検討対象とした圧電共振器における共振特性を図３に示す。図３は、上部電極の膜厚を１．１μｍ（０．３３λ）としたときの共振特性である。
【００３３】
図２で説明したように、上部電極の膜厚を厚くすればするほど共振周波数が低下することから、図３では、劣化した部分の共振領域は１〜１．５ＧＨｚの間に位置している。そして、その高周波側、約２．３〜２．５ＧＨｚの間に新たな共振領域が出現しているのが分かる。
【００３４】
そこで、上部電極の膜厚をこれよりもさらに厚くした圧電共振器を作成した。図４は、上部電極の膜厚を１．３４μｍ（０．４λ）、１．９μｍ（０．５７λ）、２．３５μｍ（０．７λ）としたときの共振特性である。つまり、前述した膜厚１．９μｍは、このような一連の考察の中で作成された圧電共振器における上部電極の膜厚である。図４に示すように、劣化した共振領域はもはや確認不能であるが、新たに約１．７〜２．５ＧＨｚの間に出現した共振領域では、非常にＱ特性に優れた共振特性、つまり共振器として使用可能な共振特性となっている。
【００３５】
Ａｌよりなる上部電極の膜厚が０．４μｍ（０．１２λ）の圧電共振器における定在波分布を図５に、０．７μｍ（０．２１λ）の圧電共振器における定在波分布を図６に、１．９μｍ（０．５７λ）の圧電共振器における定在波分布を図７に、それぞれ示す。図５および図６に示す場合は、図２の共振特性を有する従来の圧電共振器に対応したもので、図７に示す場合は、図４において新たに出現した共振領域を有する本願の圧電共振器での当該共振領域の共振特性に対応したものである。なお、これらのグラフにおいて、縦軸は、最大振幅を１として規格化した定在波振幅、横軸は共振器内の位置を表している。また、上部電極と圧電膜以外の定在波分布は省略されている。
【００３６】
図５および図６に示す従来の圧電共振器での共振周波数近傍で発生する定在波の分布では、上部電極の圧電膜と反対側の界面に波腹Ｌができ、圧電膜内に波節（振動しない点）Ｎができていることが分かる。
【００３７】
これに対して、図７に示す上部電極の膜厚が１．９μｍ（０．５７λ）の圧電共振器での共振周波数近傍で発生する定在波の分布では、図５および図６に示す従来の圧電共振器の定在波分布と異なり、上部電極における圧電膜と反対側の界面（つまり、空気との界面）に第１の波腹（振動が最大になる点）Ｌ１ができ、当該界面から圧電膜側に向かう上部電極の内部に波節（振動しない点）Ｎおよび第２の波腹Ｌ２ができていることが分かる。したがって、このように上部電極に第１の波腹Ｌ１、波節Ｎおよび第２の波腹Ｌ２を有する定在波分布となっている圧電共振器では、膜厚が厚くても非常にＱ特性に優れた共振特性となるといえる。
【００３８】
従来の共振器の共振特性に比べて、新たに出現した共振領域の共振特性が優れていることは、以下のように説明される。
【００３９】
すなわち、これらのグラフにおいて、圧電膜領域における斜線の部分の面積が圧電共振器として有効に利用される振動エネルギーにほぼ対応しており、この面積が大きいほど共振特性が優れている。
【００４０】
そして、従来の共振器では、上部電極と空気との界面に定在波の波腹Ｌを有し、圧電膜中に定在波の波節Ｎを有しており、上部電極中には波節Ｎを有していないことから、上部電極の膜厚を厚くすると、定在波分布は図５に示す状態から図６に示す状態に移行する。つまり、上部電極と空気との界面に波腹Ｌを有するという境界条件を満たすため、上部電極中に振動エネルギーが漏れ出し、結果的に圧電膜中の斜線部の面積が減少していることから、共振子としての特性が劣化している。
【００４１】
一方、図７に示すように、新たに共振領域が出現した圧電共振器の定在波分布の場合、上部電極と空気との界面に定在波の波腹Ｌ（第１の波腹Ｌ１）が形成されるのは従来の共振器と同様であるが、圧電膜中に加えて、上部電極内にも定在波の波節Ｎが形成され、上部電極中における圧電膜との界面近傍にもさらに定在波の波腹Ｌ（第２の波腹Ｌ２）が形成されている。この上部電極中に形成された波節Ｎと第２の波腹Ｌ２の存在により、膜厚が厚くなっても、上部電極における圧電膜との界面付近の振幅劣化が少なくなることから、圧電膜中の斜線部の面積すなわち有効な振動エネルギーの減少を抑えることが可能になり、優れた共振特性を得ることができるのである。
【００４２】
さて、上部電極中に、第１の波腹Ｌ１、波節Ｎおよび第２の波腹Ｌ２が形成されるモードの定在波は、新たに共振領域が出現した圧電共振器に認められる（図４参照）。ここで、上部電極の規格化膜厚とＱ値との関係を図８に示す。一般に、圧電共振器としてはＱ値が４５ｄＢ以上あることが望ましいとされている。したがって、図８より、上部電極の膜厚が０．４λ〜０．７λとなったときにＱ特性が良好になる、換言すれば前述したモードの定在波が形成されるものと考えられる。
【００４３】
以上説明したように、本願の圧電共振器によれば、上部電極中における定在波が第１の波腹Ｌ１に加えて波節Ｎおよび第２の波腹Ｌ２を有しているので、圧電膜中におけるバルク波の振動エネルギーの減少が抑制され、良好なＱ特性を得ることが可能になる。そして、このような定在波分布は上部電極の膜厚を所定の厚みにすることにより得られることから、上部電極の膜厚を厚くしつつ良好なＱ特性を得ることのできる圧電共振器が得られる。
【００４４】
また、このように上部電極の膜厚を厚くできることから、電極膜の形成とは別工程で電極膜厚より厚い膜を配線層のために形成して配線の電気抵抗を削減する必要がなく、上部電極と同一の工程で膜厚の厚い低抵抗の配線層を形成することが可能になるので、工程の簡略化および製造コストの削減を図ることが可能になる。
【００４５】
このようなモードの定在波を利用する圧電共振器は、数ＧＨｚ以上の高周波領域に有用である。すなわち、圧電共振器の共振周波数を上げるには、主に圧電膜の厚みを薄くすることによって達成される。そして、従来では、上部電極の厚みを圧電膜の厚みの２５％から６５％程度とするため、３ＧＨｚ以上の高周波領域では、圧電膜の厚みが薄くなることに伴って上部電極の膜厚が非常に薄くなり、電極抵抗が増大して特性が劣化する懸念があった。しかしながら、本発明によれば、上部電極の膜厚を厚くできるため、電極抵抗が増大するのを抑制して優れたＱ特性を有する圧電共振器が得られるからである。
【００４６】
なお、図９に示すように、上部電極１６は、導体層１６ａ、絶縁層１６ｂ、導体層１６ｃの順に積層形成してもよい。たとえば、導体層１６ａには膜厚０．０５λのＡｌ膜を、絶縁層１６ｂには膜厚０．０８λのＳｉＯ２膜を、導体層１６ｃには膜厚０．５λのＡｌ膜を適用することができる。そして、この場合においては、それぞれの膜における定在波の波長λで規格化した規格化膜厚の係数の合計が０．４〜０．７であればよい（ここでは、０．０５＋０．０８＋０．５＝０．６３）。但し、ここに挙げた以外の部材を用いることができるのはもちろんである。
【００４７】
絶縁層１６ｂにＳｉＯ２膜を適用することにより、圧電共振器の温度特性の改善が可能になる。なお、導体層１６ａと導体層１６ｃとは必ずしも相互に導通をとる必要はない。
【００４８】
さらに、図１０に示すように、音響多層膜１２と下部電極１３との間には、所定の音響インピーダンスを有するとともに定在波の波長をλとしたときの膜厚が０．０１λ〜０．１λである層間膜１７を形成すれば、さらにＱ特性に優れた圧電共振器を得ることが可能になる。この場合、層間膜１７には音響インピーダンスの高い膜、たとえばＡｌＮを適用するのがよい。
【００４９】
以上の説明においては、本発明をＳＭＲ型の圧電共振器に適用した場合について説明したが、基板の一部を切り欠いてバルク波を伝搬しやすくしたダイヤフラム型の圧電共振器など、圧電膜を用いた積層型の圧電共振器全般に適用することができる。
【００５０】
なお、ダイヤフラム型の圧電共振器にあっても、ＳＭＲ型の圧電共振器と同様に音響多層膜は形成されていても、いなくてもよい。但し、音響多層膜が形成されていないダイヤフラム型の圧電共振器では、下部電極の振動部分をほぼ自由振動させるために、ＳＭＲ型の圧電共振器とは異なり、下部電極の直下の基板はエッチングなどにより除去されて存在しない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、圧電共振器のみならず、圧電共振器を用いたフィルタやデュプレクサなどの電子部品に広く適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施の形態である圧電共振器を示す断面図である。
【図２】異なる膜厚の上部電極を備えた従来の圧電共振器における共振特性を示すグラフである。
【図３】本発明者が検討対象とした圧電共振器における共振特性を示すグラフである。
【図４】図１の圧電共振器において上部電極の膜厚を変えた場合での共振特性を示すグラフである。
【図５】従来の圧電共振器における定在波分布を示すグラフである。
【図６】従来の他の圧電共振器における定在波分布を示すグラフである。
【図７】図１の圧電共振器における定在波分布を示すグラフである。
【図８】上部電極の規格化膜厚とＱ値との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の他の実施の形態である圧電共振器を示す断面図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施の形態である圧電共振器を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１１  基板
１２  音響多層膜
１２ａ  ＡｌＮ膜
１２ｂ  ＳｉＯ２膜
１３  下部電極
１４  圧電膜
１５  誘電体膜
１６  上部電極
１６ａ  導体層
１６ｂ  絶縁層
１６ｃ  導体層
１７  層間膜
Ｌ  波腹
Ｌ１  第１の波腹
Ｌ２  第２の波腹
Ｎ  波節
【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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