JP2006295380A - 圧電薄膜共振子およびフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械結合係数を大きくすることができる圧電薄膜共振子およびフィルタを提供すること。
【解決手段】基板２０の上に配置された第１電極４１と、第１電極４１に対向しておりＰｔとＴｉ、またはＰｔとＴｉの化合物、からなる第２電極４４と、第１電極４１と第２電極４４の間に配置されておりＰＺＴまたはＰＺＴＮあるいはＰＺＮＴである圧電膜４３と、を備えることで、下地電極である第１電極４１と圧電膜４３との間の電気機械結合係数を高める。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電薄膜共振子およびフィルタに関する。

携帯電話のような移動通信機器の普及により、圧電薄膜共振子の需要が増えてきている。圧電薄膜共振子は、主にＧＨｚ帯で用いられるフィルタおよび共振子として用いられる。
圧電薄膜共振子は、一般に、シリコン基板のような支持基板と、この支持基板上に設けられた電極、圧電薄膜、電極のサンドイッチ構造とを有している。２つの電極に対して電界を与えることにより、圧電薄膜は厚み方向に振動して共振特性を示す。この共振周波数は主に、圧電薄膜などの厚みによって決まる。圧電薄膜共振子をラダー状に接続すると、バンドパスフィルタを作ることができることが知られている。
この種の圧電薄膜共振子は、たとえば特許文献１に開示されている。
特開２００３−２０４２３９号公報（第１頁、図２）

ところが、特許文献１に示す圧電薄膜共振子では、圧電膜がＺｎＯもしくはＡｌＮにより作られており、第１電極（下電極）はＡｌもしくはＣｕにより作られている。
このために、第１電極、圧電膜および第２電極（上電極）から構成される積層共振体の電気機械結合係数が比較的小さく、より電気機械結合係数を大きくすることができ広帯域化が図れる圧電薄膜共振子およびフィルタの出現が望まれている。
そこで本発明は上記課題を解消し、電気機械結合係数を大きくすることができる圧電薄膜共振子およびフィルタを提供することを目的としている。

上記目的は、第１の発明にあっては、基板と、前記基板の上に配置された第１電極と、前記第１電極に対向した第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に配置されておりＰＺＴまたはＰＺＴＮあるいはＰＺＮＴである圧電膜と、を備えることを特徴とする圧電薄膜共振子により、達成される。
第１の発明の構成によれば、第１電極は基板の上に配置されている。第２電極は、第１電極に対向している。圧電膜は、第１電極と第２電極の間に配置されており、ＰＺＴまたはＰＺＴＮあるいはＰＺＮＴにより作られている。
これにより、圧電膜と第１電極との間における電気機械結合係数を大きくでき、広帯域化を図ることができる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記第１電極と前記圧電膜および前記第２電極からなる積層共振体が、前記基板の上に複数層重ねて形成されていることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、第１電極と圧電膜および第２電極からなる積層共振体が、基板の上に複数層重ねて形成されている。
これにより、圧電薄膜共振子は、フィルタを構成することができる。

第３の発明は、第１の発明の構成において、前記第１電極と前記基板の間には、温度補正膜が配置されていることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、第１電極と基板の間には、温度補正膜が配置されている。
これにより、温度補正膜を配置することにより、温度上昇しても、周波数の低下を防ぐことができる。

第４の発明は、第２の発明の構成において、前記第１電極と前記基板の間および各前記積層共振体の間には、温度補正膜が配置されていることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、第１電極と基板の間と、積層共振体の間にそれぞれ温度補正膜が配置されているので、温度上昇しても、周波数の低下を防ぐことができる。
第５の発明は、第３の発明または第４の発明において、温度補正膜をＳｉＯ_２膜にすることにより、正の温度特性を持つ他の材料に対して負の温度特性を持つＳｉＯ_２により良い温度特性を得ることができる。

上記目的は、第６の発明にあっては、基板と、前記基板の上に配置されたＰｔとＴｉ、またはＰｔとＴｉの化合物、からなる第１電極と、前記第１電極に対向している第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に配置されておりＰＺＴまたはＰＺＴＮあるいはＰＺＮＴである圧電膜と、を備え、前記第１電極と前記圧電膜と前記第２電極からなる複数の積層共振体が、前記基板に対してラダー型に配列されたことを特徴とするラダー型フィルターにより、達成される。
第６の発明の構成によれば、第１電極はＰｔとＴｉ、またはＰｔとＴｉの化合物からなっており基板の上に配置されている。第２電極は、第１電極に対向している。圧電膜は、第１電極と第２電極の間に配置されており、ＰＺＴまたはＰＺＴＮあるいはＰＺＮＴにより作られている。
これにより、圧電膜と第１電極との間における電気機械結合係数を大きくでき、広帯域化を図ることができる。
第１電極と圧電膜および第２電極からなる複数の積層共振体が、ラダー型に配列されることにより、電気機械結合係数が大きく広帯域化されたラダー型のフィルターを得ることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の圧電薄膜共振子の好ましい実施形態を示す断面図である。図２は、図１のＥ方向から見た圧電薄膜共振子１０の平面図である。
図１と図２における圧電薄膜共振子１０は、ＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：薄膜バルク音響共振子）構造のものである。圧電薄膜共振子１０は、基板２０、温度補正膜３０および積層共振体４０を有している。

基板２０は、たとえば（１１０）カットのシリコン基板あるいは（１００）カットのシリコン基板を使用することができる。しかしこの基板２０の材質はシリコンに限らず他の材質を用いることも可能である。温度補正膜３０は、圧電薄膜共振子１０における温度の変化による共振周波数の低下を防ぐためのものである。、この温度補正膜３０は、たとえばＳｉＯ_２により作られていて、基板２０の一方の面２１側に形成されている。
基板２０は、開口部２３を有している。この開口部２３は、空洞とも呼ぶことができ、積層共振体４０に対応する位置において形成されている。開口部２３は、図１に示すように一方の面２１側から形成された底を有する穴、もしくは基板２０の厚み方向であるＺ方向に関して貫通した貫通孔であっても勿論構わない。

積層共振体４０は、温度補正膜３０の上に配置されている。積層共振体４０は、下電極４１、圧電膜４３および上電極４４を積層して形成したものである。
下電極４１は、第１電極とも呼ぶことができ、上電極４４は第２電極と呼ぶことができる。下電極４１は、温度補正膜３０の上に形成されている。下電極４１の端部には電極のパッド４５を有している。上電極４４は、下電極４１の上方において、対向して配置されている。上電極４４は、端部に電極パッド４６を有している。
圧電膜４３は、下電極４１と上電極４４の間に形成されている。

下電極４１と上電極４４および圧電膜４３の材質の例について説明する。
下電極４１は、図１に示すように第１層５１と第２層５２を有している。第１層５１は、たとえばＴｉにより形成されており、第２層５２は、たとえばＰｔにより形成されている。図２のパッド４５は、第１層５１の端部に形成されている。
図１の例では、下電極４１の第１層５１と第２層５２がＰｔ＋Ｔｉにより構成されているが、これに限らずたとえば第１層５１は、Ｔｉの化合物であり、第２層５２はＰｔであっても良い。Ｔｉの化合物としては、ＴｉＯ_２，ＴｉＮ，ＴｉＷなどを採用することができる。
圧電膜４３は、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛の固溶体（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ））Ｏ_３：ＰＺＴ、あるいは亜鉛・ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３：ＰＺＮ）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３：ＰＴ）との固溶体（ＰＺＴＮ；Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｎｂ_２Ｏ_８あるいはＰＺＮＴ；Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_ＸＴｉ_{（１−Ｘ）}Ｏ_３）のいずれかにより作ることができる。

第２電極である上電極４４は、導電性を有している金属であるが特に限定されるものではない。上電極４４は、たとえばＡｌ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａなどの材質を採用することができる。図２に示すように、下電極４１の第１層５１と第２層５２は、たとえば円形状の部分６１を有している。上電極４４は、部分６１に対応するような円形状の部分６２を有している。圧電膜４３は、たとえば上電極４４の部分６２と下電極４１の部分６１の間に挟まれるたとえば円盤状の部材である。

基板２０の開口部２３は、積層共振体４０に対応する位置に形成されている。
上電極４４の上には、ＳｉＯなどにより作られた被覆膜６５が形成されている。このように被覆膜６５により上電極４１が被覆されていることにより、上電極４４を保護することができる。

図１に示す温度補正膜３０は、たとえばＳｉＯ_２により作られており、絶縁膜の機能も有しているが、この温度補正膜３０の厚みｄ１と、下電極４１、圧電膜４３および上電極４４を含めた厚みとの比は、たとえば１：０．７ないし１．３に設定するのが望ましい。
この比が１：０．７ないし１．３であると、周波数についての温度特性が良好である。

図１と図２の例では、開口部２３は、略積層共振体４０の圧電膜４３の直径に対応する大きさを有している。つまり開口部２３を形成する内壁２３Ａ，２３Ａは、上電極４４と下電極４１の配列方向（長手方向Ｘ）に対して略直交する方向に形成されているが、この内壁２３Ａは、略上電極４４の外周面に対応する位置に形成されている。開口部２３は基板２０に対してエッチング処理を行うことにより作られている。上電極４４と下電極４１の長手方向は、図２においてＸ方向に沿って逆方向に形成されている。
パッド４５，４６に対して電界を抑えることにより、圧電薄膜共振子１０は、たとえばＧＨｚ帯において用いることができ、圧電膜４３はその厚み方向（Ｚ方向）に振動して共振特性を示す。その共振周波数は、主に構成する圧電膜４３の厚みによって決まる。

図３と図４は、本発明の別の実施形態を示している。
図３と図４の実施形態が図１と図２の実施形態と異なるのは、図３と図４に示す開口部１２３の大きさである。図３と図４の実施形態のその他の構成要素は、図１と図２に示す実施形態の対応する構成要素と略同じであるので、同一の符号を記してその説明を用いることにする。
図３と図４に示すように開口部１２３の外壁１２３Ａ，１２３Ａは、Ｘ方向に沿ってより外側に配置されている。これにより、下電極４１と上電極４４の部分７１，７２が開口部１２３内にそれぞれ浮いた状態になっているので、下電極４１と上電極４４に対して生じる応力を小さくすることができる。

図５は、図３と図４に示す圧電薄膜共振子１０の周波数特性の例を示している。
図６は、本発明の別の実施形態を示しているが、図６に示すラダー型フィルタ１００は、バンドパスフィルタとも呼んでおり、このラダー型フィルタ１００は、たとえば図１あるいは図３に示すような圧電薄膜共振子１０をラダー型に複数固配列して形成したものである。

図７は、本発明のさらに別の実施形態を示しており、図７に示す圧電薄膜共振子１０は、基板２０と温度補正膜３０の他に、複数の積層共振体４０を有しているのが特徴的である。図７では２つの積層共振体４０，４０が積層して示されており、積層共振体４０，４０の間には別の温度補正膜１３０が配置されている。

下側の積層共振体４０は、温度補正膜３０の上に直接設けられている。積層共振体４０は、下電極４１、圧電膜４３および上電極４４を有している。同様にして上側の積層共振体４０は、下電極４１Ａ、圧電膜４３Ａおよび上電極４４Ａを有している。
下電極４１，４１Ａは、たとえばＰｔ／Ｔｉにより作られている。上電極４４，４４Ａも同様にしてたとえばＰｔ／Ｔｉにより作られている。圧電膜４３，４３Ａは、たとえばＰＺＴにより作られている。
積層共振体４０の下電極４１Ａと、下側の積層共振体４０の上電極４４の間には、温度補正膜１３０が形成されている。温度補正膜１３０は、たとえばＳｉＯ_２である。この温度補正膜１３０は、絶縁膜の機能も有しているが、温度補正膜１３０は、下側の温度補正膜３０と同様にして圧電薄膜共振子１０の温度変化による周波数低下を防ぐことができる。

図８は、図７におけるＧ方向から見た圧電薄膜共振子１０の平面図である。上電極４４Ａはパッド４９を有している。下電極４１Ａはパッド４８を有している。上電極４４Ａと下電極４１Ａは、ともに入力端子ＩＮ１，ＩＮ２である。
これに対して、下側の積層共振体４０の上電極４４はパッド５３を有しており、下電極４１はパッド５１を有している。上電極４４と下電極４１は、ともに出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２である。
上電極４４，４４Ａと下電極４１，４１Ａに対して電界を与えることにより、圧電薄膜共振子１０は共振をする。これによって、たとえば図９に示すようなフィルタ特性を得ることができる。
図７におけるＰｔ／Ｔｉ・ＳｉＯ_２・Ｐｔ／Ｔｉ（上電極４４・温度補正膜１３０・下電極４１Ａ）からなる中間層９９の膜厚を変えることにより、フィルタの周波数帯域を変えることができる。

これまで説明した圧電薄膜共振子１０は、いわゆるＦＢＡＲ構造のものである。
しかし、図１０に示す圧電薄膜共振子２００は、ＳＭＲ（Ｓｏｌｉｄｌｙ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：薄膜音響多層膜共振子）である。
図１０の圧電薄膜共振子２００は、基板２２０、温度補正膜２３０、ミラー層２７０、そして別の温度補正膜３０と積層共振体４０を有している。基板２２０の上には温度補正膜２３０を介してミラー層２７０が形成されている。
このミラー層２７０の上には、さらに別の温度補正膜２３０を介してミラー層２７０が形成されている。一番上の段のミラー層２７０の上には別の温度補正膜３０が形成されている。この温度補正膜３０上には、積層共振体４０が配置されている。積層共振体４０は、下電極４１、圧電膜４３および上電極４４を有している。下電極４１と上電極４４は、たとえばＰｔ／Ｔｉにより作られている。圧電膜４３はＰＺＴである。下電極４１は第１電極であり、上電極４４は第２電極である。

図１０に示すようなＳＭＲ型の圧電薄膜共振子１０では、ミラー層を用いるために、ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振子に比べて開口部を形成する必要はない。いずれにしても基板２２０と積層共振体１０の間には、多層もしくは複数層のミラー層が必要である。図１０に示すような圧電薄膜共振子２００においても、下電極４１と圧電膜４３の電気機械結合係数が大きくすることができる。

上述した実施形態では、圧電膜４３の材質としてＰＺＴを用いているが、このＰＺＴに代えて、たとえば亜鉛・ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３：ＰＺＮ）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３：ＰＴ）との固溶体単結晶（ＰＺＴＮあるいはＰＺＮＴ）を用いても勿論構わない。
下電極４１と圧電膜４３の電気機械結合係数を高めることにより、圧電膜としてＡｌＮあるいはＺｎＯを使用し、下電極としてＡｌもしくはＣｕを使用するのに比べて、電気機械結合係数の大きい圧電薄膜共振子とフィルタが得られ、広帯域のフィルタを得ることができる。

図１と図３の圧電薄膜共振子を得る場合に、開口部を形成するために、基板に対してドライエッチングまたはウェットエッチングを施す。
図示の各実施形態において、電極の材質としてＰｔ／Ｔｉに代えて、Ｐｔ／Ｔｉの化合物を使用することも勿論可能である。
本発明の圧電薄膜共振子は、たとえばデュプレクサーあるいはインクジェットヘッドの振動子として用いることが可能である。
また図７において、複数の積層共振体４０の数は、２つに限らず３つ以上であっても勿論構わない。

本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
上記実施形態の各構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせることができる。

本発明の圧電薄膜共振子の好ましい実施形態を示す断面図。 図１のＥ方向から見た圧電薄膜共振子の平面図。 本発明の圧電薄膜共振子の別の実施形態を示す断面図。 図３のＦ方向から見た圧電薄膜共振子の平面図。 図３と図４の実施形態における周波数特性の例を示す図。 本発明の圧電薄膜共振子により作られたラダー型フィルタの例を示す平面図。 本発明の圧電薄膜共振子のさらに別の実施形態を示す断面図。 図７のＧ方向から見た平面図。 図７と図８に示す圧電薄膜共振子のフィルタ特性の例を示す図。 本発明のさらに別の実施形態を示す断面図。

符号の説明

１０・・・圧電薄膜共振子、２０・・・基板、２３・・・開口部、３０・・・温度補正膜、４０・・・積層共振体、４１・・・下電極（第１電極）、４３・・・圧電膜、４４・・・上電極（第２電極）

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の上に配置された第１電極と、
   前記第１電極に対向した第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極の間に配置されておりＰＺＴまたはＰＺＴＮあるいはＰＺＮＴである圧電膜と、
   を備えることを特徴とする圧電薄膜共振子。
2. 前記第１電極と前記圧電膜および前記第２電極からなる積層共振体が、前記基板の上に複数層重ねて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
3. 前記第１電極と前記基板の間には、温度補正膜が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
4. 前記第１電極と前記基板の間および各前記積層共振体の間には、温度補正膜が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電薄膜共振子。
5. 前記温度補正膜はＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）を主成分とするものであることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の圧電薄膜共振子。
6. 基板と、
   前記基板の上に配置されたＰｔとＴｉ、またはＰｔとＴｉの化合物、からなる第１電極と、
   前記第１電極に対向している第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極の間に配置されておりＰＺＴまたはＰＺＴＮあるいはＰＺＮＴである圧電膜と、
   を備え、前記第１電極と前記圧電膜と前記第２電極からなる複数の積層共振体が、前記基板に対してラダー型に配列されたことを特徴とするラダー型フィルター。

Images