JP2002515667A - 薄膜圧電振動子 - Google Patents

薄膜圧電振動子

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Abstract

(57)【要約】 振動子には、カバー電極の層またはこれに被着された付加層に、有利にはリソグラフィによって製作された孔または類似の構造体が設けられており、これらの構造体の相互の平均間隔は、素子が動作する際の所定の波長よりも短い。これらの構造体は、有利には十分に均一に分散されており、これによって面積当たりの層の質量が一様に変化し、ひいては振動周波数の所期の調整が行われる。その一方でこれらの構造体は不規則に分散されており、これによって回折作用が回避される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、マイクロマシニング法によって製作可能な薄膜圧電振動子に関する
。
【０００２】 ５００ＭＨｚを上回る周波数領域における薄膜圧電振動子の振動周波数は、圧
電層の層の厚さに間接的に比例する。支持ダイアフラムならびに底部およびカバ
ー電極は、振動子に対する付加的な質量負荷であり、この質量負荷によって振動
周波数が低減してしまう。これらすべての層の厚さのばらつきによって、個別の
振動子の振動周波数が収まる、製造公差の範囲が決定される。マイクロエレクト
ロニクスのスパッタ過程に対しては、５％の層厚さのばらつきが通例であり、コ
ストをかければ１％を達成することが可能である。これらのばらつきは統計的に
チップ間にも、系統的にチップ中央部と周縁部との間にも発生する。ＧＨｚ領域
のフィルタに対して個別の振動子の振動周波数は、少なくとも０．５％の絶対的
な精度を有しなければならない。
【０００３】 高選択性のフィルタに対しては複数の振動子を、梯子、格子または並列構成で
接続しなければならない。個別の振動子は所期のように相互に調整されて、所望
のフィルタ特性が得られるようにしなければならない。有利にはコスト上の理由
から１つのフィルタのすべての振動子を厚さが一定の単一の圧電層から製作し、
周波数調整は上部電極上の付加的な層によって行われる。製作する振動周波数毎
に相異なる厚さの付加層を製作しなければならない。これはそれぞれリソグラフ
ステップに結びつくデポジットまたはエッチングステップを必要とする。この繁
雑さを制限するために通例、フィルタのトポロジだけが製作される。これらによ
っては２つの振動周波数だけしか調整されない。
【０００４】 薄膜圧電振動子の振動周波数は基本的に付加層を上記のように被着することに
よって調整することができる。しかしこれには繁雑なリソグラフが必要になる。
レーザトリミングまたはイオンビームトリミングであれば完全に平らに材料を除
去することができ、これによってカバー層の質量が低減されるが、コストのかか
る製作ステップが製作過程の終わりに必要になってしまう。接続するキャパシタ
ンスまたは印加される直流電圧によって確かに振動周波数をシフトすることもで
きるがトリミング領域は比較的狭い。同じことが振動子の加熱による熱的トリミ
ングに対しても当てはまる。
【０００５】 本発明の課題は、簡単な手段かつ高い精度で所定の振動周波数を調整可能な薄
膜圧電振動子を提供することである。さらに簡単に複数の振動周波数を調整でき
るようにもしなければならない。
【０００６】 この課題は、請求項１の特徴部分に記載された構成を有する薄膜圧電振動子な
いしは、請求項７の特徴部分に記載された構成を有する装置によって解決される
。実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００７】 本発明の薄膜圧電振動子では、カバー電極の層または専用に被着された付加層
に、有利にはリソグラフによって製作される孔または類似の構造体が設けられ、
ここでこれらの構造体の相互の平均的な間隔は、素子が動作する際の所定の音波
長よりも短い。これら構造体は有利には十分に均一に分散され、これによって面
積当たりの層の質量（面密度）が一様に変化し、ひいては振動周波数が所期のよ
うに調整される。その一方でこれらの構造体は不規則に分散され、これによって
回折作用が回避される。
【０００８】 以下では本発明の薄膜圧電振動子を図１〜３に基づいて詳しく説明する。
【０００９】 図１は、本発明による振動子の実施例を断面図で示しており、 図２は、図１の特徴的部分を拡大図で示しており、 図３は、上部層の構造を平面図で示している。
【００１０】 図１は、本発明の振動子の例を断面図で示している。基板１上には有利にはポ
リシリコンである支持層２があり、この層の下には振動子として設けられる層構
造の領域に空所４がある。この空所は例えば酸化物からなる補助層３内にある。
この空所は通例、書き入れた約２００μｍの寸法を有する。支持層２には振動子
の層構造があり、これは底部電極のために設けられる下部電極層５と、圧電層６
と、カバー電極のために設けられる上部電極層７とからなる。電極層５，７は有
利には金属であり、圧電層６は例えばAｌＮ，ＺｎＯまたはＰＺＴセラミック（
ＰｂＺｒＴｉ）である。この層構造は全体として通例は、書き入れた約５μｍの
厚さを有する。
【００１１】 本発明では、上部電極層７、またはそれに被着され、以下では付加層８と称す
る別の層に有利にはフォトリソグラフで製作されたエッチング構造が設けられ、
これによって１つまたは複数の相異なる振動周波数が所期のように決定される。
図１に示した例では、これらのエッチング構造は付加層８にある。
【００１２】 図２は、図１に円９で示した部分を拡大図で示しており、ここでは上部電極７
および圧電層６上の付加層８の構造が識別される。付加層８はこの例では多数の
の孔１０によって穿孔されている。これらの孔１０の分散の密度によって振動子
の効果的な質量負荷と、ひいては振動周波数とが所期のように調整される。１Ｇ
Ｈｚの周波数では通例の薄膜圧電材料の音波長は５μｍ〜１０μｍの範囲にある
。穿孔による孔と、これらの孔の間隔とが音波長よりも格段に小さい場合には、
音波に対して穿孔は鈍く、波は散乱しない。すなわち穿孔は波に、材料の平均密
度の変化として作用する。達成される別の利点は、振動子の比較的高いモードが
孔で散乱することであり、これによってこれらのモードがフィルタ特性に与える
不所望の影響は低減される。
【００１３】 図３は付加層８を平面図で示しており、孔１０（この例ではほぼ正方形である
）の位置を識別することができる。付加層８における個別の孔の代わりに関連す
る中間空間を設けることもでき、これらは図３に示された正方形領域１０の間の
全領域を占める。この場合にこれらの正方形領域は付加層８の材料からなる島１
０を構成する。設けられるこの構造体で重要であるのは、構造化された層の残り
の領域ないしは残りの島を配置し、これによって振動周波数の所望の調整が得ら
れるようにすることである。この構造体を直接、上部電極層７に設ける場合、こ
の電極層７から孔までをすべて、ほぼ図３に示した（孔１０）大きさと配置まま
にしておくことが推奨される。
【００１４】 所期のように、また場合によってはリソグラフィ時に（例えばステッパを使用
して）場所によって異なって過多露光または過小露光することにより、振動子の
製作時に層厚のばらつきを調整することができる。任意の数の振動周波数を、付
加コストなしに、相応に実施された複数の振動子によって同一のチップに実現す
ることができる。製作時にはこのために孔の間隔と大きさを、リソグラフに使用
されるマスクで変更するだけでよい。殊に、並列な振動子とフィルタバンクを有
する、周波数帯域を分離するためのフィルタは簡単に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による振動子の実施例を示す断面図である。
【図２】 図１の特徴的部分示す拡大図である。
【図３】 上部層の構造を示す平面図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年３月２日（２０００．３．２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下部電極層（５）と上部電極層（７）との間に圧電層（６）
    を有する薄膜圧電振動子において、 前記の上部電極層（７）、または該上部電極層に被着された付加層（８）に構
    造体が設けられており、 該構造体は、当該構造体によって生じる、関連する層（７，８）の平均密度の
    変化によって、所定の振動周波数が調整されるように構成されていることを特徴
    とする 薄膜圧電振動子。
  2. 【請求項２】 付加層（８）が上部電極層（７）に設けられており、 前記構造体が当該付加層（８）に設けられている 請求項１に記載の薄膜圧電振動子。
  3. 【請求項３】 前記構造体は孔（１０）を含み、 該孔の各孔と、当該孔に隣接する孔との間の間隔が、振動子の動作に対して設
    定された波長よりも短い 請求項１または２に記載の薄膜圧電振動子。
  4. 【請求項４】 前記構造体は島（１０）を含み、 該島の各島と、当該島に隣接する島との間隔が、振動子の動作に対して設定さ
    れた波長よりも短い 請求項２に記載の薄膜圧電振動子。
  5. 【請求項５】 前記構造体は不規則であり、これによって回折現象が回避さ
    れる 請求項１から４までのいずれか１項に記載の薄膜圧電振動子。
  6. 【請求項６】 前記圧電層（６）の材料は、ＡｌＮ，ＺｎＯおよびＰＺＴセ
    ラミックのグループからなり、 前記圧電層（６）および前記電極層（５，７）は、ポリシリコンからなる支持
    層（２）に配置されており、 下部電極層（５）とは反対側の支持層（２）の面に空所（４）が設けられてい
    る 請求項１から５までのいずれか１項に記載の薄膜圧電振動子。
  7. 【請求項７】 前記振動子が同一のチップに配置されており、 前記振動子が、少なくとも３つの相異なる振動周波数に調整されていることを
    特徴とする 請求項１から６までのいずれか１項に記載の薄膜圧電振動子からなる装置。
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