(57)【要約】【課題】温度特性と静電容量を維持しつつ、インピーダンス特性のヒステリシス現象の抑制の実現が可能である、圧電振動装置を提供する。【解決手段】圧電膜１６の両主面に第１及び第２の電極１５，１７が配置された圧電薄膜部は、圧電膜１６の膜厚方向から透視したときに第１及び第２の電極１５，１７が圧電膜１６を介して重なり合う圧電振動部２０が基板１２から離れている状態で、支持部２２が基板１２に支持される。圧電振動装置１０は、圧電振動部２０の輪郭振動を利用するタイプである。少なくとも圧電振動部２０に、温度補償膜１９及び補強膜１８を備える。補強膜１８は、圧電膜１６と同一材料からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
圧電膜と前記圧電膜の両主面にそれぞれ配置された第１及び第２の電極とを含み、前記圧電膜の膜厚方向から透視したときに前記第１及び第２の電極が前記圧電膜を介して重なり合う圧電振動部が前記基板から離れた状態で、前記圧電振動部以外の支持部が前記基板に支持された、圧電薄膜部と、
を備え、
前記圧電振動部の輪郭振動を利用する、圧電振動装置であって、
少なくとも前記圧電振動部に、温度補償膜及び補強膜をさらに備え、
前記補強膜は、前記圧電膜と同一の材料からなることを特徴とする、圧電振動装置。
【請求項２】
前記補強膜が、前記圧電振動部に関して前記基板とは反対側に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の圧電振動装置。
【請求項３】
前記補強膜が、無配向膜であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電振動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電振動装置に関し、詳しくは、バルク波の輪郭振動モードを利用する圧電振動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バルク波を利用する圧電振動装置には、バルク波の中の厚み振動モードを利用するタイプや、バルク波の中の拡がり振動モード、長さ振動モード又は幅振動モードなどの輪郭振動モードを利用するタイプがある。
【０００３】
後者の輪郭振動モードを利用するタイプの圧電振動装置について、例えば図４の断面図に示すように、電極５，７間に圧電膜６が挟まれ、空隙３を介して基板２から浮いている圧電振動部９の上下に、温度補償膜４，８を備える構成が開示されている。温度補償膜４，８として、例えばＳｉＯ２膜が１層ずつ形成される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】ＷＯ２００７／０８８６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図４に示したタイプの圧電振動装置は、例えば図５のグラフに示すように、インピーダンス特性にヒステリシス現象が起きる。図５は、厚さ１．６μｍのＡｌＮ膜の圧電膜６を含む圧電振動部９の上に、厚さ３．３μｍのＳｉＯ２膜の温度補償膜８を形成し、圧電振動部９の下に厚さ１．７μｍのＳｉＯ２膜の温度補償膜５を形成した圧電振動装置について、振動数とインピーダンスの関係を示すグラフである。実線は、周波数の高い方から低い方へスイープしたときのインピーダンス特性を示す。破線は、周波数の低い方から高い方へスイープしたときのインピーダンス特性を示す。破線と実線が重なっていない部分があり、測定時の周波数のスイープ方向によってインピーダンス波形が異なるというヒステリシス現象が起きることが分かる。
【０００５】
ヒステリシス現象は、圧電膜が強く振動して振動変位が大きくなると、変位と応力の関係が比例ではなくなって非線形領域に入り、この非線形領域ではスイープ方向によってインピーダンス波形が変わるために起きると推測される。ヒステリシス現象を抑制するには、振動変位を小さくすることが望ましい。圧電振動部に付加する温度補償膜の膜厚が厚いほど振動変位が小さくなるので、ヒステリシス現象は、圧電振動部に付加する温度補償膜の膜厚を厚くすることによって抑制できる。
【０００６】
ヒステリシス現象を抑制しようとすると、温度特性を維持するために圧電膜であるＡｌＮ膜と、温度補償膜であるＳｉＯ２膜との比率を維持しつつ、トータル厚みを厚くすることが望ましい。しかし、圧電膜であるＡｌＮ膜を厚くすると、電極間距離が広がることで静電容量が低下してしまう。これを回避するために温度補償膜であるＳｉＯ２膜のみを厚くすると、温度特性が劣化してしまう。
【０００７】
本発明は、かかる実情に鑑み、温度特性と静電容量を維持しつつ、インピーダンス特性のヒステリシス現象の抑制の実現が可能である、圧電振動装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した圧電振動装置を提供する。
【０００９】
圧電振動装置は、（ａ）基板と、（ｂ）圧電膜と前記圧電膜の両主面にそれぞれ配置された第１及び第２の電極とを含み、前記圧電膜の膜厚方向から透視したときに前記第１及び第２の電極が前記圧電膜を介して重なり合う圧電振動部が前記基板から離れた状態で、前記圧電振動部以外の支持部が前記基板に支持された、圧電薄膜部とを備える。圧電装置は、前記圧電振動部の輪郭振動を利用するタイプのものである。圧電振動装置は、（ｃ）少なくとも前記圧電振動部に、温度補償膜及び補強膜をさらに備える。前記補強膜は、前記圧電膜と同一の材料からなる。
【００１０】
上記構成によれば、圧電振動部に温度補償膜と補強膜とを設けることでトータル厚みを厚くして、振動変位を小さくし、インピーダンス特性のヒステリシス現象を抑制することができる。補強膜が圧電膜と同一の材料であれば、圧電膜の厚みを抑えることができ、電極間距離が広がることによる静電容量低下を防ぐことができる。また、圧電体の膜と温度補償膜との比率を維持できるので、温度特性を劣化させることがない。また、圧電膜と補強膜とが同一の成膜装置で形成できるため、製造コストの低減が可能となる。
【００１１】
好ましくは、前記補強膜が、前記圧電振動部に関して前記基板とは反対側に形成される。
【００１２】
この場合、補強膜は、圧電振動部の表面を保護するパッシベーション膜として使用することができるので、圧電振動装置の信頼性を向上することができる。
【００１３】
好ましくは、前記補強膜が、無配向膜である。
【００１４】
この場合、補強膜がＣ軸配向していないため、屈曲振動などで発生する不要な振動モードを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、温度特性と静電容量を維持しつつ、インピーダンス特性のヒステリシス現象の抑制の実現が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。
【００１７】
＜実施例１＞  本発明の実施例１の圧電振動装置１０について、図１を参照しながら説明する。図１は、圧電振動装置１０の断面図である。
【００１８】
図１に示すように、圧電振動装置１０は圧電共振子を含み、基板１２上に、支持膜１４、下部電極１５、圧電膜１６、上部電極１７、補強膜１８、温度補償膜１９が積層されている。電極１５，１７の間に圧電膜１６が挟まれている圧電振動部２０の上に、補強膜１８及び温度補償膜１９が配置されている。圧電振動部２０の下に、支持膜１４が配置されている。
【００１９】
圧電振動部２０は、圧電膜１６の膜厚方向（図において上下方向）から透視したときに、電極１５，１７が圧電膜１６を介して重なり合う部分である。圧電振動部２０は、圧電膜１６の膜厚方向から透視したときに、例えば矩形である。圧電振動部２０は、圧電振動部２０の上下に配置された支持膜１４、補強膜１８、温度補償膜１９と一体となって輪郭振動モードで振動する。
【００２０】
下部電極１５及び上部電極１７は、圧電振動部２０からの引き出し電極の端部にパッド１５ｓ，１７ｓが形成されている。パッド１５ｓ，１７ｓの表面は露出し、外部と電気的に接続できるようになっている。
【００２１】
圧電膜１６の両主面に電極１５，１７が配置された圧電薄膜部は、圧電振動部２０と、支持部２２と、接続部２４とを含む。圧電振動部２０は、基板１２から空隙１３を介して浮いた状態である。圧電振動部２０は、基板１２に支持された支持部２２との間が接続部２４を介して接続されている。
【００２２】
圧電膜１６は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電材料を用いることができる。実施例では、反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法を使用したＡｌＮを用い、Ｃ軸配向する成膜条件で成膜を実施する。この成膜方法では、Ａｌ又はＡｌＮを主成分とするターゲット材料を用い、ＡｒとＮ２をガスに用いてＡｌＮを成膜する。成膜時のガス圧を低くし、スパッタリング粒子の基板への垂直入射性を向上させることで、Ｃ軸が基板に垂直方向に良好に成長したＡｌＮ膜を形成できる。
【００２３】
電極１５，１７は、圧電膜１６に電圧を印加する役割を持ち、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、エリンバー、インバーなど導電性を持つ材料、あるいはこれらの積層体を使用する。下部電極１５と支持膜１４の間や、電極１５，１７と圧電膜１６の間には、密着性を高めるために、Ｔｉ、Ｃｒなどの材料を用いて密着層を形成してもよい。また、電極１５，１７は、圧電振動部２０からの引き出し電極に、配線抵抗を下げるための厚付け配線を別途形成してもよい。
【００２４】
圧電振動部２０の上部電極１７上に、圧電膜１６と同一材料の無配向膜である補強膜１８を形成する。
【００２５】
補強膜１８は、圧電膜１６の形成時と異なる成膜条件で成膜を行い、無配向膜を形成することが好ましい。実施例で使用している反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いたＡｌＮ膜では、成膜時のガス圧がある程度高くなると、スパッタリング粒子と気体分子との衝突回数が増え、基板への垂直入射性が阻害される。これにより、スパッタリング粒子は基板に対してさまざまな角度から入射し、一方向への配向性が失われ、無配向なＡｌＮ膜が形成できる。
【００２６】
上部電極１７を形成した面の表面粗さが粗い場合には、表面粗さの影響により圧電膜がＣ軸配向しづらくなるため、圧電膜形成時と同一の成膜条件で成膜してもよい。
【００２７】
圧電膜１６と同一材料の無配向膜である補強膜１８で補強した圧電振動部２０に対し、上下に付加した膜１４，１９は、共振周波数の温度補償、パッシベーション、共振周波数の調整などの役割を持つ。温度補償として、縦波音速の温度係数の符号が圧電膜１６と逆の膜を形成するが、ＳｉＯ２が用いられることが多い。パッシベーションとしての機能を果たすため、なるべく電極１５，１７及び圧電膜１６の表面及び側壁まで覆うように形成する。材料は、主にＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｔａ２Ｏ５などの誘電体を用いることができる。実施例では、膜１４，１９に、スパッタリング法の成膜法で形成したＳｉＯ２膜を用いている。
【００２８】
膜１４〜１９のパターニングは、ドライエッチング、ウェットエッチング、あるいはリフトオフ法により行う。その中でも、リフトオフ法はパターニング精度がよく、振動子の寸法ばらつきを小さくできるので好ましい。また、圧電振動部２０の上下の膜１４，１８，１９の形成では、構成膜間の位置ずれをなくすため、同じマスクパターンを用いて一括形成することが望ましい。
【００２９】
空隙１３は、基板１２上に犠牲層を配置し、その上に支持膜１４等を積層した後に、犠牲層を除去することによって形成する。
【００３０】
基板１２は、Ｓｉのような半導体基板、もしくはガラスのような絶縁体基板を用いる。あるいは表面に酸化膜や窒化膜が形成された基板でもよい。
【００３１】
次に、作製例について説明する。
【００３２】
図１に示した実施例１の作製例の膜構成は、基板：Ｓｉ、支持膜：ＳｉＯ２（膜厚３．０μｍ）、下部電極及び上部電極：Ｐｔ（各膜厚１．０μｍ）、圧電膜：ＡｌＮ（膜厚１．６μｍ）、補強膜：ＡｌＮ（膜厚０．８μｍ）、温度補償膜：ＳｉＯ２（膜厚３．７μｍ）である。
【００３３】
図４に示した従来構造の比較例の膜構成は、基板：Ｓｉ、支持膜：ＳｉＯ２（膜厚１．７μｍ）、下部電極及び上部電極：Ｐｔ（各膜厚０．１μｍ）、圧電膜：ＡｌＮ（膜厚１．６μｍ）、温度補償膜：ＳｉＯ２（膜厚３．３μｍ）である。
【００３４】
実施例１は、比較例に比べ、支持膜（ＳｉＯ２）が１．７μｍから３．０μｍになり、１．３μｍ厚くなっている。また、温度補償膜（ＳｉＯ２）が３．３μｍから３．７μｍになり、０．４μｍ厚くなっている。
【００３５】
実施例１は、補強膜（ＡｌＮ）の膜厚も加え、トータルで、比較例よりも２．５μｍ厚くなっているため、インピーダンス特性のヒステリシス現象を抑制することができている。
【００３６】
また、実施例１と比較例とでは、ＡｌＮ（圧電膜、補強膜）とＳｉＯ２（温度補償膜、支持膜）との比率が０．３５前後でほとんど変わらないことから、温度特性は劣化しない。
【００３７】
なお、温度補償膜のＳｉＯ２膜は、パッシベーション膜、周波数調整膜としての機能も備えているが、別途、パッシベーション膜や周波数調整膜としてのＳｉＮ、Ｔａ２Ｏ５などの膜を圧電振動部の上下に設けることも可能である。
【００３８】
実施例１の圧電振動装置１０は、振動子内の上部電極１７上に圧電膜１６と同一の無配向膜である補強膜１８を形成することにより、圧電膜１６の厚みを抑えることができるため、電極１５，１７間距離が広がることによる静電容量の低下を防ぐことができる。また、圧電膜１６と同一材料の無配向膜である補強膜１８を用いることにより、圧電体の膜１６，１８と温度補償膜１９の比率を維持できるので、温度特性を劣化させることがない。また、振動子内の上部電極１７に形成する補強膜１８を圧電膜１６と同一材料である無配向膜とすることで、補強膜１８がＣ軸配向しないため、輪郭振動に対して屈曲振動などの不要な振動モードの発生を抑えることができる。また、圧電膜１６と補強膜１８とを同一の成膜装置を用いて形成できるため、製造コストの低減が可能となる。
【００３９】
＜実施例２＞  実施例２の圧電振動装置１０ａについて、図２の断面図を参照しながら説明する。
【００４０】
図２に示すように、圧電振動装置１０ａは、実施例１の圧電振動装置１０と略同様に構成されている。圧電振動装置１０ａは、基板１２ａ上に、支持膜１４ａ、下部電極１５ａ、圧電膜１６ａ、上部電極１７ａ、補強膜１８ａ、温度補償膜１９ａが積層されている。圧電膜１６ａの膜厚方向から透視したときに電極１５ａ，１７ａが圧電膜１６ａを介して重なり合う圧電振動部２０ａが、輪郭振動モードで振動する。
【００４１】
圧電振動装置１０ａは、実施例１の圧電振動装置１０と異なり、基板１２ａの上面側に形成された凹部１３ａによって、圧電振動部２０ａが基板１２ａから離れた状態となっている。
【００４２】
圧電振動装置１０ａは、実施例１と同様に、補強膜１８ａを圧電膜１６ａと同一の材料で形成することで、温度特性と静電容量を維持しつつ、インピーダンス特性のヒステリシス現象を抑制することができる。
【００４３】
＜実施例３＞  実施例３の圧電振動装置１０ｂについて、図３の断面図を参照しながら説明する。
【００４４】
図３に示すように、圧電振動装置１０ｂは、実施例１の圧電振動装置１０と略同様に構成されている。圧電振動装置１０ｂは、基板１２ｂ上に、支持膜１４ｂ、下部電極１５ｂ、圧電膜１６ｂ、上部電極１７ｂ、補強膜１８ｂ、温度補償膜１９ｂが積層されている。圧電膜１６ｂの膜厚方向から透視したときに電極１５ｂ，１７ｂが圧電膜１６ｂを介して重なり合う圧電振動部２０ｂが、輪郭振動モードで振動する。
【００４５】
圧電振動装置１０ｂは、実施例１の圧電振動装置１０と異なり、基板１２ｂに形成された貫通孔１３ｂによって、圧電振動部２０ｂが基板１２ａから離れた状態となっている。
【００４６】
圧電振動装置１０ｂは、実施例１と同様に、補強膜１８ｂを圧電膜１６ｂと同一の材料で形成することで、温度特性と静電容量を維持しつつ、インピーダンス特性のヒステリシス現象を抑制することができる。
【００４７】
＜まとめ＞  以上に説明した圧電振動装置１０，１０ａ，１０ｂは、補強膜１８，１８ａ，１８ｂを圧電膜１６，１６ａ，１６ｂと同一の材料で形成することで、温度特性と静電容量を維持しつつ、インピーダンス特性のヒステリシス現象を抑制することができる。
【００４８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】圧電振動装置の断面図である。（実施例１）
【図２】圧電振動装置の断面図である。（実施例２）
【図３】圧電振動装置の断面図である。（実施例３）
【図４】圧電振動装置の断面図である。（従来例）
【図５】インピーダンス特性を示すグラフである。（従来例）
【符号の説明】
【００５０】
１０，１０ａ，１０ｂ  圧電振動装置
１２，１２ａ，１２ｂ  基板
１３  空隙
１３ａ  凹部
１３ｂ  貫通孔
１４，１４ａ，１４ｂ  支持膜
１５，１５ａ，１５ｂ  下部電極（圧電薄膜部）
１６，１６ａ，１６ｂ  圧電膜（圧電薄膜部）
１７，１７ａ，１７ｂ  上部電極（圧電薄膜部）
１８，１８ａ，１８ｂ  補強膜
１９，１９ａ，１９ｂ  温度補償膜
２０，２０ａ，２０ｂ  圧電振動部
【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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