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JPH10209794A - Piezoelectric thin-film resonator - Google Patents

Piezoelectric thin-film resonator

Info

Publication number
JPH10209794A
JPH10209794A JP864697A JP864697A JPH10209794A JP H10209794 A JPH10209794 A JP H10209794A JP 864697 A JP864697 A JP 864697A JP 864697 A JP864697 A JP 864697A JP H10209794 A JPH10209794 A JP H10209794A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
film
piezoelectric
thickness
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP864697A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Naoyuki Hanashima
直之 花嶋
Shuji Tsuzumi
修司 津々見
Masa Yonezawa
政 米澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Priority to JP864697A priority Critical patent/JPH10209794A/en
Priority to DE1997112496 priority patent/DE19712496A1/en
Publication of JPH10209794A publication Critical patent/JPH10209794A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To facilitate the manufacture and to obtain a high Q-value by forming a lower electrode, a PZT thin film or PT thin film as a piezoelectric body thin film, and upper electrodes in order on a single-crystal or polycrystalline diamond thin film formed on an Si substrate, and making the interval between the two upper electrodes larger than the film thickness of the piezoelectric thin film. SOLUTION: On a Si substrate 2 which has a diamond thin film 1 on the top surface and an SiO2 film 2A formed on the reverse surface, a Ti layer with 50 to 500Å thickness is formed and on it, a conductive meal layer with 1000 to 2000Å in film thickness is formed of Pt, Ir, etc., as a lower electrode 3. On the lower electrode 3, the PZT thin film or PT thin film 4 with 0.1 to 10μm thickness as the piezoelectric thin film is formed by a sol-gel method and on it, the upper electrodes 5A and 5B are formed similarly to the lower electrode 3. The intervals between those upper electrodes is made 2 to 200 times as large as the film thickness of the PT thin film 4. Consequently the resonator is usable for a wide-band filter in a simple structure and a resonator with a wide range of oscillation frequency and can easily be manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は圧電薄膜共振子に係
り、特に、高周波帯域で動作する圧電薄膜の厚み方向の
バルク波を利用した共振器、フィルタ等に好適な圧電薄
膜共振子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric thin-film resonator, and more particularly to a piezoelectric thin-film resonator suitable for a resonator, a filter, and the like that operate in a high-frequency band and use a bulk wave in a thickness direction of the piezoelectric thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、高周波帯域において使用される
圧電振動子では、薄板の厚み振動が利用されている。従
来、提供されている高周波用の圧電振動子としては、次
の〜の構成のものなどがある。
2. Description of the Related Art In general, a piezoelectric vibrator used in a high frequency band utilizes thickness vibration of a thin plate. Conventionally provided piezoelectric vibrators for high frequency include those having the following configurations (1) to (4).

【0003】 水晶、圧電セラミックス等の圧電板を
薄く研磨し、その基本振動を用いた圧電振動子。 水晶、圧電セラミックス等の高次振動を利用した高
次モード振動子。 圧電性蒸着膜を基板上に形成し、この圧電性蒸着膜
を励振して基板を高次振動させて用いる複合振動子。
[0003] A piezoelectric vibrator that uses a fundamental vibration of a piezoelectric plate made of quartz, piezoelectric ceramic, or the like, which is thinly polished. Higher-order mode vibrators utilizing higher-order vibrations such as quartz and piezoelectric ceramics. A composite vibrator in which a piezoelectric vapor-deposited film is formed on a substrate, and the piezoelectric vapor-deposited film is excited to vibrate the substrate to a higher order.

【0004】上記従来の圧電振動子のうち、の構成の
ものでは、水晶、圧電セラミックス等の圧電板を薄くす
れば、板厚に反比例して基本共振周波数が高くなるが、
板厚を薄くすればするほど、機械加工が困難となる。こ
のため、現在では、板厚30〜40μmで共振周波数5
0MHz程度が限界である。
[0004] Of the above-mentioned conventional piezoelectric vibrators, the basic resonance frequency increases in inverse proportion to the plate thickness when the thickness of a piezoelectric plate such as quartz or piezoelectric ceramics is reduced.
The thinner the plate, the more difficult it is to machine. For this reason, at present, at a plate thickness of 30 to 40 μm and a resonance frequency of 5
The limit is about 0 MHz.

【0005】の構成のものでは、高次振動を用いるた
め電気機械結合係数が小さくなり、周波数帯域幅が小さ
すぎて実用的ではなく、また、電気機械結合係数が大き
い低次振動ではスプリアスとなる欠点がある。また、
の構成のものでも同様の欠点がある。
In the case of the structure described above, since the higher-order vibration is used, the electromechanical coupling coefficient is reduced, and the frequency bandwidth is too small to be practical. In addition, low-order vibration having a large electromechanical coupling coefficient causes spurious. There are drawbacks. Also,
The same configuration has the same disadvantage.

【0006】なお、のような高次振動モードを利用し
たものでは、基板に対して圧電体薄膜が相当に薄くなる
ことから、共振のQや温度特性が主に基板材料で決定さ
れることとなるため、基板の構成材料が極めて重要とな
る。
[0006] In the case of using such a higher-order vibration mode, the piezoelectric thin film becomes considerably thinner than the substrate, so that the resonance Q and temperature characteristics are mainly determined by the substrate material. Therefore, the constituent material of the substrate is extremely important.

【0007】ところで、圧電素子用の高周波用圧電材料
としては、例えば、常誘電体のAlN、CdS、ZnO
等が用いられている。これらの材料は、機械加工により
薄く加工したとしても、40μm程度の厚みが限界であ
り、この程度の厚みのものでは、基本波の共振周波数
は、いずれの材料でも数十MHzが限界である。これら
の材料を用いた高周波用圧電薄膜共振子においては、例
えば、500MHz以上の高い共振周波数の基本振動を
得るためには、板厚を10μm以下にする必要がある。
The high frequency piezoelectric material for a piezoelectric element is, for example, a paraelectric AlN, CdS, ZnO
Etc. are used. Even if these materials are thinned by machining, the thickness is limited to about 40 μm, and the resonance frequency of the fundamental wave is limited to several tens of MHz for any material having such a thickness. In a high-frequency piezoelectric thin-film resonator using these materials, for example, in order to obtain a fundamental vibration having a high resonance frequency of 500 MHz or more, the plate thickness needs to be 10 μm or less.

【0008】一方、数百MHzの高周波帯域において、
電気機械結合係数の大きな圧電振動子を得る方法として
は、スパッタ法等の薄膜製造技術とエッチング技術を用
いる方法があり、例えば、特開昭60−31305号公
報には、スパッタ法で酸化亜鉛及びチタン酸鉛の薄膜を
形成した圧電素子が記載されている。この特開昭60−
31305号公報に記載される圧電素子は、基板の影響
をなくし、圧電体薄膜の振動特性を活かすために、基板
の一部をエッチングで除去している。
On the other hand, in a high frequency band of several hundred MHz,
As a method for obtaining a piezoelectric vibrator having a large electromechanical coupling coefficient, there is a method using a thin film manufacturing technique such as a sputtering method and an etching technique. For example, JP-A-60-31305 discloses a method using zinc oxide and A piezoelectric element formed with a thin film of lead titanate is described. This Japanese Unexamined Patent Publication No.
In the piezoelectric element described in Japanese Patent No. 31305, a part of the substrate is removed by etching in order to eliminate the influence of the substrate and utilize the vibration characteristics of the piezoelectric thin film.

【0009】なお、従来、厚み振動を用いた圧電薄膜共
振子では、特開平8−148968号公報に記載される
圧電薄膜共振子に代表されるように、圧電体膜の上下の
電極に電界を印加することよりバルク波を励振させてい
る。
Conventionally, in a piezoelectric thin film resonator using thickness vibration, an electric field is applied to upper and lower electrodes of a piezoelectric film, as typified by a piezoelectric thin film resonator described in JP-A-8-148968. By applying the voltage, the bulk wave is excited.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】スパッタ法による酸化
亜鉛、その他、従来の圧電材料は、いずれも電気機械結
合係数が20〜30%程度と小さいため、共振子、フィ
ルタ等を構成した場合、帯域幅及び発振周波数範囲が限
定される。なお、特開昭60−31305号公報では、
この点を改善するために、基板の一部を除去している
が、このように基板を除去した場合、素子強度が低下す
るという欠点がある。
The zinc oxide formed by the sputtering method and other conventional piezoelectric materials all have a small electromechanical coupling coefficient of about 20 to 30%. The width and oscillation frequency range are limited. In Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 60-31305,
To improve this point, a part of the substrate is removed. However, when the substrate is removed in this way, there is a disadvantage that the element strength is reduced.

【0011】また、従来提供されている厚み振動を用い
た圧電薄膜共振子では、圧電体膜の上下の電極に電界を
印加して厚み方向に分極処理することでバルク波を励振
させている。このため、下部電極をこの分極処理におけ
る端子電極とするべく、下部電極を露出させる必要があ
る。従って、圧電体膜を下部電極上に一様に形成した
後、エッチングにより圧電体膜の一部を除去して下部電
極を露出させたり、圧電体膜の形成に当り、下部電極を
部分的にマスクするなどして、下部電極の一部を残して
圧電体膜を形成する必要があり、下部電極を露出させる
ための煩雑な工程を必要とするという欠点がある。
Further, in a conventionally provided piezoelectric thin film resonator using thickness vibration, a bulk wave is excited by applying an electric field to upper and lower electrodes of a piezoelectric film and performing polarization processing in a thickness direction. Therefore, it is necessary to expose the lower electrode in order to use the lower electrode as a terminal electrode in this polarization processing. Therefore, after the piezoelectric film is uniformly formed on the lower electrode, a part of the piezoelectric film is removed by etching to expose the lower electrode, or the lower electrode is partially formed in forming the piezoelectric film. It is necessary to form a piezoelectric film while leaving a part of the lower electrode by masking or the like, and there is a disadvantage that a complicated process for exposing the lower electrode is required.

【0012】また、前述の如く、高次振動モードを利用
したものでは、圧電薄膜共振子特性が基板材料に大きく
影響を受けるため、基板材料の選定が極めて重要となる
が、従来において、圧電薄膜共振子に最適な基板材料の
検討は十分に行われていない。
As described above, in the case of using the higher-order vibration mode, the selection of the substrate material is extremely important because the characteristics of the piezoelectric thin film resonator are greatly affected by the substrate material. Investigation of the optimal substrate material for the resonator has not been sufficiently performed.

【0013】本発明は上記従来の問題点を解決し、電気
機械結合係数が大きく、共振子、フィルタ等に適用した
場合の帯域幅及び発振周波数範囲が広く、かつ高いQ値
が得られる圧電薄膜共振子であって、下部電極を露出さ
せる必要がなく、従って製造が容易な圧電薄膜共振子を
提供することを目的とする。
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides a piezoelectric thin film having a large electromechanical coupling coefficient, a wide bandwidth and oscillation frequency range when applied to a resonator, a filter, etc., and a high Q value. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric thin film resonator which does not need to expose a lower electrode and is therefore easy to manufacture.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明の圧電薄膜共振子
は、単結晶又は多結晶基板と、該基板上に形成された下
部電極と、該下部電極上に形成された圧電体薄膜と、該
圧電体薄膜上に形成された2個の上部電極とを備えてな
る圧電薄膜共振子であって、該圧電体薄膜がPZT薄膜
又はPT薄膜であり、該2個の上部電極同士の間の間隔
が、該圧電体薄膜の膜厚よりも大きいよりも大きいこと
を特徴とする。
According to the present invention, there is provided a piezoelectric thin film resonator comprising: a single crystal or polycrystalline substrate; a lower electrode formed on the substrate; a piezoelectric thin film formed on the lower electrode; A piezoelectric thin-film resonator comprising two upper electrodes formed on the piezoelectric thin film, wherein the piezoelectric thin film is a PZT thin film or a PT thin film, and a gap between the two upper electrodes is provided. The interval is larger than the thickness of the piezoelectric thin film.

【0015】本発明の圧電薄膜共振子は、圧電体膜が電
気機械結合係数の大きい圧電材料であるPZT(チタン
酸ジルコン酸鉛)、或いは、キューリー点が約500度
と高く、厚み方向の結合係数と広がり方向の結合係数の
値が大きく異なる等の特徴を有するPT(チタン酸鉛)
で形成されているため、広帯域なフィルタや発振周波数
範囲の広い共振器を実現できる。
In the piezoelectric thin film resonator of the present invention, the piezoelectric film is made of PZT (lead zirconate titanate), which is a piezoelectric material having a large electromechanical coupling coefficient, or the Curie point is as high as about 500 degrees, and the coupling in the thickness direction is high. (Lead titanate) which has the characteristic that the coefficient and the value of the coupling coefficient in the spreading direction are greatly different.
Therefore, a wide-band filter and a resonator having a wide oscillation frequency range can be realized.

【0016】また、単結晶又は多結晶ダイヤモンド基板
等の単結晶又は多結晶基板を用いるため、高いQ値が得
られ、従って、挿入損失を低減できる。この単結晶又は
多結晶基板は特に、Si基板上に厚さ1〜30μmのダ
イヤモンド薄膜を形成したものが好ましい。
Further, since a single crystal or polycrystal substrate such as a single crystal or polycrystal diamond substrate is used, a high Q value can be obtained, and therefore, insertion loss can be reduced. This single-crystal or polycrystalline substrate is particularly preferably formed by forming a diamond thin film having a thickness of 1 to 30 μm on a Si substrate.

【0017】しかも、上部電極が間隔をあけて2個形成
されているため、この上部電極間に電界を印加すること
により圧電体膜を厚み方向に分極処理することができ
る。従って、下部電極を端子電極とする必要がなく、こ
のため下部電極を露出させるための煩雑な工程が不要と
なる。
Moreover, since two upper electrodes are formed at an interval, the piezoelectric film can be polarized in the thickness direction by applying an electric field between the upper electrodes. Therefore, it is not necessary to use the lower electrode as a terminal electrode, so that a complicated process for exposing the lower electrode is not required.

【0018】ところで、PZT又はPTは、良質な膜質
の圧電体薄膜を得ることが困難である。例えば、スパッ
タ法では、厚み振動の共振を十分確認できるほど良好な
PZT薄膜又はPT薄膜を形成できない。
It is difficult to obtain a high quality piezoelectric thin film from PZT or PT. For example, the sputtering method cannot form a PZT thin film or a PT thin film that is good enough to sufficiently confirm thickness vibration resonance.

【0019】これに対して、ゾルゲル法によるPZT薄
膜又はPT薄膜の成膜であれば、厚み振動に対して高い
共振を示し、圧電体薄膜として有効に機能する良好な膜
質のPZT薄膜又はPT薄膜を形成することができる。
このPZT薄膜又はPT薄膜の膜厚は0.1〜10μm
であることが好ましい。
On the other hand, if a PZT thin film or PT thin film is formed by the sol-gel method, a PZT thin film or PT thin film of good film quality which exhibits high resonance with respect to thickness vibration and effectively functions as a piezoelectric thin film. Can be formed.
The thickness of this PZT thin film or PT thin film is 0.1 to 10 μm
It is preferred that

【0020】また、分極処理効果の面から、上部電極同
士の間の間隔(以下、「上部電極間隔」と称す。)は、
圧電体薄膜のPZT薄膜又はPT薄膜の膜厚の2〜20
0倍であることが好ましい。
From the viewpoint of the polarization effect, the distance between the upper electrodes (hereinafter, referred to as the “upper electrode distance”) is determined.
2 to 20 times the thickness of the PZT thin film or PT thin film of the piezoelectric thin film
It is preferably 0 times.

【0021】本発明におては、基板の下部電極形成面と
反対側の面を一部エッチングで除去して凹部を形成して
も良く、これにより、発信周波数、挿入損失の特性を向
上させることができる。この場合において、基板がダイ
ヤモンド薄膜を有することにより、凹部を形成しても強
度を十分に維持することができる。
In the present invention, a concave portion may be formed by partially removing the surface of the substrate opposite to the surface on which the lower electrode is formed by etching, thereby improving the characteristics of transmission frequency and insertion loss. be able to. In this case, since the substrate has the diamond thin film, the strength can be sufficiently maintained even when the concave portion is formed.

【0022】本発明によれば、PZT薄膜又はPT薄膜
の膜厚0.1〜10μmであり、上部電極間隔0.2μ
m〜2mmで、共振周波数帯域50MHz〜10GHz
の高特性圧電薄膜共振子が提供される。
According to the present invention, the thickness of the PZT thin film or PT thin film is 0.1 to 10 μm, and the upper electrode interval is 0.2 μm.
m to 2 mm, resonance frequency band 50 MHz to 10 GHz
, A high-performance piezoelectric thin-film resonator of the present invention is provided.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0024】図1は本発明の実施の形態を示す斜視図、
図2は本発明の他の実施の形態を示す正面図、図3は本
発明の別の実施の形態を示す斜視図、図4は本発明の異
なる実施の形態を示す図であって、図4(a)は正面
図、図4(b)は側面図である。
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view showing another embodiment of the present invention, FIG. 3 is a perspective view showing another embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a view showing another embodiment of the present invention. 4 (a) is a front view, and FIG. 4 (b) is a side view.

【0025】図1〜4において、同一機能を奏する部材
には同一符号を付してある。
In FIGS. 1 to 4, members having the same functions are denoted by the same reference numerals.

【0026】本実施の形態では、基板として、表面にダ
イヤモンド薄膜1が形成されたSi基板2を用いる。こ
のダイヤモンド薄膜1付きSi基板2であれば機械的強
度も十分であるため、ゾルゲル法により、良好な膜質の
PZT薄膜を形成することができる。なお、2Aは絶縁
膜としての酸化膜(SiO2 膜)である。
In this embodiment, an Si substrate 2 having a diamond thin film 1 formed on the surface is used as the substrate. Since the mechanical strength of the Si substrate 2 with the diamond thin film 1 is sufficient, a PZT thin film having good film quality can be formed by the sol-gel method. 2A is an oxide film (SiO 2 film) as an insulating film.

【0027】このダイヤモンド薄膜付きSi基板2のダ
イヤモンド薄膜1の厚さは、薄過ぎると、ダイヤモンド
の方位がそろわず、配向しにくい。また、平滑化が困難
で強度向上効果も低い。逆に、厚過ぎると成膜に時間が
かかり、コスト面で不利であり、また、音響的に損失の
原因となりうるので、1〜30μm程度であることが好
ましい。
If the thickness of the diamond thin film 1 of the Si substrate 2 with the diamond thin film is too thin, the orientation of the diamond is not uniform and the diamond is difficult to be oriented. Further, smoothing is difficult and the effect of improving strength is low. Conversely, if the thickness is too large, it takes a long time to form a film, which is disadvantageous in terms of cost, and may cause acoustic loss. Therefore, the thickness is preferably about 1 to 30 μm.

【0028】なお、Si基板2の裏面側のSiO2 膜2
Aの厚さは0.5〜1.5μmであることが好ましい。
The SiO 2 film 2 on the back side of the Si substrate 2
The thickness of A is preferably 0.5 to 1.5 μm.

【0029】また、ダイヤモンド薄膜付きSi基板2と
しては、薄膜圧電素子としての用途上、できる限り薄い
ことが望ましいが、過度に薄いと機械的強度が低下する
ため、厚さ200〜600μm程度であることが好まし
い。
The Si substrate 2 with a diamond thin film is desirably as thin as possible for use as a thin film piezoelectric element. However, if the thickness is excessively small, the mechanical strength is reduced. Is preferred.

【0030】このようなダイヤモンド薄膜付きSi基板
2は、Si基板上に気相合成法により、所望の厚さのダ
イヤモンド薄膜を形成することにより製造することがで
きる。
Such a Si substrate 2 with a diamond thin film can be manufactured by forming a diamond thin film having a desired thickness on a Si substrate by a vapor phase synthesis method.

【0031】本発明の圧電薄膜共振子は、このようなダ
イヤモンド薄膜付きSi基板2上に、下部電極3、PZ
T薄膜又はPT薄膜4及び上部電極5(5A,5B)を
順次成膜して得られるが、下部電極3の成膜に先立ち、
Ti層(図示せず)を形成するのが、PZT薄膜又はP
T薄膜4の成膜の上で有利である。
The piezoelectric thin-film resonator of the present invention comprises a lower electrode 3, a PZ
It is obtained by sequentially forming a T thin film or PT thin film 4 and an upper electrode 5 (5A, 5B).
The Ti layer (not shown) is formed by a PZT thin film or a PZT thin film.
This is advantageous in forming the T thin film 4.

【0032】即ち、ゾルゲル法によるPZT薄膜又はP
T薄膜の成膜では、乾燥、焼成時に収縮を伴うため、5
μmを超える膜厚の薄膜を形成することは困難である
が、膜厚0.1μm以下のPZT薄膜又はPT薄膜で
は、圧電体薄膜として機能するには薄すぎて好ましくな
い。これに対して、基板上にTi層を形成しておくこと
により、基板と下地電極との密着層としての作用で、P
ZT薄膜又はPT薄膜を比較的厚い薄膜として形成する
ことが可能となる。
That is, the PZT thin film or P
In the formation of the T thin film, shrinkage occurs during drying and firing, so that
Although it is difficult to form a thin film having a thickness exceeding μm, a PZT thin film or a PT thin film having a thickness of 0.1 μm or less is not preferable because it is too thin to function as a piezoelectric thin film. On the other hand, by forming the Ti layer on the substrate, the P layer acts as an adhesion layer between the substrate and the underlying electrode.
The ZT thin film or the PT thin film can be formed as a relatively thick thin film.

【0033】このTi層はスパッタ法等により形成する
ことができ、その厚さは50〜500Å程度であること
が好ましい。Ti層の厚さが50Å未満ではTi層を形
成したことによる効果が十分に得られない。
This Ti layer can be formed by a sputtering method or the like, and its thickness is preferably about 50 to 500 °. If the thickness of the Ti layer is less than 50 °, the effect of forming the Ti layer cannot be sufficiently obtained.

【0034】下部電極3としては、Pt、Ir、Al等
の導電性金属層をスパッタ法等で形成することができ、
その厚さは、通常の場合1000〜2000Å程度であ
る。
As the lower electrode 3, a conductive metal layer such as Pt, Ir, Al or the like can be formed by a sputtering method or the like.
Its thickness is usually about 1000 to 2000 °.

【0035】本発明において、圧電体薄膜としてのPZ
T薄膜又はPT薄膜4は、高周波対応とするために膜厚
10μm以下であることが必要とされ、好ましくは0.
1〜10μm、より好ましくは0.2〜3μmの範囲で
使用目的に応じて適宜決定される。なお、PZT薄膜又
はPT薄膜の膜厚が薄過ぎると圧電効果が十分得られ
ず、逆に、厚過ぎると良好な膜質が得られない。
In the present invention, PZ as a piezoelectric thin film
The T thin film or the PT thin film 4 needs to have a film thickness of 10 μm or less in order to be compatible with a high frequency.
It is appropriately determined according to the purpose of use within a range of 1 to 10 μm, more preferably 0.2 to 3 μm. If the PZT thin film or the PT thin film is too thin, a sufficient piezoelectric effect cannot be obtained, and if it is too thick, good film quality cannot be obtained.

【0036】PZT薄膜又はPT薄膜4上の上部電極5
(5A,5B)としては、前述の下部電極3と同様の導
電性金属層をスパッタ法等によりパターニング形成する
ことができ、その厚さは、通常の場合、1000〜20
00Å程度である。
Upper electrode 5 on PZT thin film or PT thin film 4
As (5A, 5B), a conductive metal layer similar to that of the lower electrode 3 described above can be formed by patterning by a sputtering method or the like.
It is about 00 °.

【0037】本発明においては、上部電極として2個の
上部電極5A,5Bを形成し、この上部電極5A,5B
同士の間隔をPZT薄膜又はPT薄膜4の膜厚よりも大
きくする。
In the present invention, two upper electrodes 5A and 5B are formed as upper electrodes, and these upper electrodes 5A and 5B are formed.
The interval between them is made larger than the thickness of the PZT thin film or PT thin film 4.

【0038】上部電極間隔がPZT薄膜又はPT薄膜4
の膜厚以下であると、分極処理に当り上部電極5A,5
B間に電界を印加した際、短絡が生じ、PZT薄膜又は
PT薄膜4を厚み方向に分極処理することができない。
ただし、上部電極間隔が過度に大きいと素子寸法が徒に
大きくなり、好ましくない。
The interval between the upper electrodes is a PZT thin film or PT thin film 4
If the film thickness is less than the thickness of the upper electrodes 5A, 5
When an electric field is applied between B and B, a short circuit occurs and the PZT thin film or PT thin film 4 cannot be polarized in the thickness direction.
However, if the interval between the upper electrodes is excessively large, the element dimensions unnecessarily increase, which is not preferable.

【0039】この上部電極間隔はPZT薄膜又はPT薄
膜の膜厚の2〜200倍、即ち、膜厚0.1〜10μm
のPZT薄膜又はPT薄膜に対して上部電極間隔0.2
〜2000μmであることが好ましい。上部電極間隔は
特にPZT薄膜又はPT薄膜の膜厚の10〜100倍で
あることが好ましい。
The distance between the upper electrodes is 2 to 200 times the thickness of the PZT thin film or PT thin film, ie, 0.1 to 10 μm.
Of the upper electrode for PZT thin film or PT thin film of 0.2
Preferably it is ~ 2000 μm. The interval between the upper electrodes is particularly preferably 10 to 100 times the thickness of the PZT thin film or PT thin film.

【0040】本発明においては、図2に示す如く、Si
基板2の下部電極3形成面と反応側の面をエッチング処
理して凹部6を形成しても良く、このように凹部6を形
成することにより、圧電薄膜共振子の機械的強度は若干
劣るものの低次モードをより強く励振することが可能と
なり、発信周波数、挿入損失の特性を向上させることが
できる。この場合において、Si基板2にはダイヤモン
ド薄膜1が形成されているため、エッチングによる強度
低下は抑えられ、基板強度を維持することができる。
In the present invention, as shown in FIG.
The recess 6 may be formed by etching the surface of the substrate 2 on which the lower electrode 3 is formed and the surface on the reaction side. By forming the recess 6 in this manner, the mechanical strength of the piezoelectric thin film resonator is slightly inferior. The lower-order mode can be more strongly excited, and the characteristics of the transmission frequency and the insertion loss can be improved. In this case, since the diamond thin film 1 is formed on the Si substrate 2, a decrease in strength due to etching is suppressed, and the strength of the substrate can be maintained.

【0041】この凹部6は、上部電極5A,5Bの形成
位置に対向する位置(上部電極を基板上に厚さ方向に透
影した位置)にSi基板2の厚さの50〜100%の深
さで形成するのが好ましい。
The recess 6 has a depth of 50 to 100% of the thickness of the Si substrate 2 at a position facing the position where the upper electrodes 5A and 5B are formed (a position where the upper electrode is transparently projected on the substrate in the thickness direction). It is preferable to form it.

【0042】また、本発明においては、図3に示す如
く、PZT薄膜又はPT薄膜4上にSiO2 膜等の絶縁
膜7を部分的に形成し、上部電極5A,5Bを、この絶
縁膜7とPZT膜又はPT薄膜4の表出面とにまたがる
ように形成することにより、端子電極としての上部電極
5A,5Bの形成位置をずらして構造上の補強を図るこ
とができる。この場合、この絶縁膜7はSiO2 ,Si
N,AlN,TiO2 ,Al2 3 等により形成するこ
とができ、その厚さは0.05〜1μm程度であること
が好ましい。
In the present invention, as shown in FIG. 3, an insulating film 7 such as a SiO 2 film is partially formed on the PZT thin film or the PT thin film 4, and the upper electrodes 5A and 5B are And the PZT film or the exposed surface of the PT thin film 4 so as to extend the formation positions of the upper electrodes 5A and 5B as terminal electrodes, so that structural reinforcement can be achieved. In this case, the insulating film 7 is made of SiO 2 , Si
It can be formed of N, AlN, TiO 2 , Al 2 O 3 or the like, and its thickness is preferably about 0.05 to 1 μm.

【0043】また、このように絶縁膜7を形成した場合
においても、図4に示す如く、Si基板2に凹部6を形
成しても良い。
Also, when the insulating film 7 is formed as described above, the concave portion 6 may be formed in the Si substrate 2 as shown in FIG.

【0044】次に、本発明の圧電薄膜共振子の製造方法
の好適例について説明する。
Next, a preferred example of the method for manufacturing a piezoelectric thin film resonator of the present invention will be described.

【0045】まず、ダイヤモンド薄膜付きSi基板の表
面に、スパッタ法によりTi層及び下部電極を順次形成
する。
First, a Ti layer and a lower electrode are sequentially formed on the surface of a Si substrate with a diamond thin film by sputtering.

【0046】次いで、下部電極上に、酢酸鉛等の鉛化合
物及びチタニウムイソプロポキシド、チタニウムブトキ
シド等のチタン化合物(PT薄膜の場合)、或いは更に
ジルコニウムブトキシド、ジルコニウムプロポキシド等
のジルコニウム化合物(PZT薄膜の場合)を所定のモ
ル比で、合計濃度が10〜20重量%程度となるよう
に、メトキシエタノール、酢酸エステル等の溶剤に溶解
したPZT薄膜又はPT薄膜形成用組成物を塗布し、1
50〜400℃で乾燥し、所定の膜厚となるように、こ
の塗布、乾燥を繰り返し、最後に500〜800℃で
0.1〜2hr焼成する。
Next, a lead compound such as lead acetate and a titanium compound such as titanium isopropoxide and titanium butoxide (in the case of a PT thin film) or a zirconium compound such as zirconium butoxide and zirconium propoxide (PZT thin film) are formed on the lower electrode. Is coated with a composition for forming a PZT thin film or PT thin film dissolved in a solvent such as methoxyethanol or acetate so that the total concentration becomes about 10 to 20% by weight at a predetermined molar ratio.
The coating is dried and dried at 50 to 400 ° C. so as to have a predetermined film thickness, and finally baked at 500 to 800 ° C. for 0.1 to 2 hours.

【0047】このようにして形成したPZT薄膜又はP
T薄膜上に、必要に応じて熱処理,CVD等によりSi
2 等の絶縁膜を形成した後、スパッタ法により、2個
の上部電極を所定のパターンで形成する。その後、2個
の上部電極間に120〜200℃で200〜500kV
/cm程度の直流電界を10〜60分程度印加してPZ
T薄膜又はPT薄膜の分極処理を行う。この分極処理を
行うことでPZT薄膜又はPT薄膜振圧電体薄膜として
機能するようになる。
The PZT thin film or P
On the T thin film, if necessary, heat treatment, CVD, etc.
After forming an insulating film such as O 2 , two upper electrodes are formed in a predetermined pattern by a sputtering method. Thereafter, 200-500 kV at 120-200 ° C. between the two upper electrodes
/ Cm is applied for about 10 to 60 minutes.
The T thin film or the PT thin film is polarized. By performing this polarization treatment, the film functions as a PZT thin film or a PT thin film vibrating piezoelectric thin film.

【0048】圧電薄膜共振子において、良好な膜質のP
ZT薄膜又はPT薄膜を形成することは極めて重要であ
る。即ち、PZT薄膜又はPT薄膜は、十分な分極処理
をすることで圧電体薄膜として機能するが、膜質が不良
である分極処理の電界を十分に印加できず、圧電体薄膜
として機能しないことになる。このため、本発明におい
ては、基板、下部電極、PZT薄膜又はPT薄膜、上部
電極の形成条件の最適化により、膜質の良好なPZT薄
膜又はPT薄膜を形成することが重要である。
In the piezoelectric thin-film resonator, P of good film quality is used.
It is extremely important to form a ZT thin film or a PT thin film. That is, the PZT thin film or PT thin film functions as a piezoelectric thin film by performing sufficient polarization processing, but does not function sufficiently as a piezoelectric thin film because a polarization processing electric field having poor film quality cannot be sufficiently applied. . For this reason, in the present invention, it is important to form a PZT thin film or PT thin film having good film quality by optimizing the conditions for forming the substrate, the lower electrode, the PZT thin film or the PT thin film, and the upper electrode.

【0049】Si基板をエッチングして凹部を形成する
場合には、TMAH(tetramethyl amm
onium hydroxide)等のエッチング液を
用いて、部分的に基板を除去すれば良い。
When a concave portion is formed by etching a Si substrate, TMAH (tetramethyl ammonium) is used.
The substrate may be partially removed using an etching solution such as onium hydroxide.

【0050】[0050]

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明する。
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples.

【0051】実施例1,2 基板として、表面に厚さ20μmのダイヤモンド薄膜を
形成した厚さ250μmのSi基板を用い、このSi基
板のダイヤモンド薄膜上にスパッタ法により、厚さ50
0ÅのTi層及び厚さ2000ÅのPt下部電極層を順
次形成した。
Examples 1 and 2 As a substrate, a 250 μm-thick Si substrate having a 20 μm-thick diamond thin film formed on its surface was used.
A 0 ° Ti layer and a 2000 ° thick Pt lower electrode layer were sequentially formed.

【0052】このPt下部電極層上に、ゾルゲル法によ
り、厚さ0.8μmのPZT薄膜又はPT薄膜を形成し
た。
On this Pt lower electrode layer, a PZT thin film or a PT thin film having a thickness of 0.8 μm was formed by a sol-gel method.

【0053】なお、PZT薄膜の形成には、酢酸鉛とジ
ルコニウムブトキシドとチタニウムイソプロポキシドと
を所定のモル比で合計濃度18重量%となるように溶解
したPZT薄膜形成用溶液を用い、また、PT薄膜の形
成には、酢酸鉛とチタニウムイソプロポキシドとを所定
のモル比で合計濃度10重量%となるように溶解したP
T薄膜形成用溶液を用い、各々、スピンコートにより塗
布した後400℃で乾燥し、この塗布、乾燥を所定の膜
厚になるまで繰り返し、最後に650℃で1hr焼成し
た。
For forming the PZT thin film, a PZT thin film forming solution in which lead acetate, zirconium butoxide, and titanium isopropoxide are dissolved at a predetermined molar ratio so as to have a total concentration of 18% by weight is used. To form a PT thin film, lead acetate and titanium isopropoxide were dissolved at a predetermined molar ratio to give a total concentration of 10% by weight.
Using a solution for forming a T thin film, each was applied by spin coating, dried at 400 ° C., and this application and drying were repeated until a predetermined film thickness was reached, and finally baked at 650 ° C. for 1 hour.

【0054】更に、PZT薄膜又はPT薄膜上にスパッ
タ法により、図1に示す如く、厚さ1500Åで、70
μm×75μmの長方形状のAl上部電極2個を上部電
極間隔75μmでパターニング形成した。
Further, as shown in FIG. 1, a PZT thin film or a PT thin film having a thickness of 1500.degree.
Two rectangular Al upper electrodes of μm × 75 μm were formed by patterning at an upper electrode interval of 75 μm.

【0055】その後、上部電極同士の間に150℃で3
00kV/cmの直流電界を10min印加したとこ
ろ、PZT薄膜又はPT薄膜が厚み方向に分極処理さ
れ、圧電薄膜共振子が得られた。
Then, at 150 ° C. between the upper electrodes,
When a direct current electric field of 00 kV / cm was applied for 10 minutes, the PZT thin film or PT thin film was polarized in the thickness direction, and a piezoelectric thin film resonator was obtained.

【0056】得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本
共振周波数及び挿入損失は表1に示す通りであった。
Table 1 shows the basic resonance frequency and the insertion loss of the thickness vibration of the obtained piezoelectric thin film resonator.

【0057】比較例1,2 実施例1,2において、基板として、表面に厚さ1μm
の酸化膜が形成された厚さ250μmのSi基板を用い
たこと以外は同様にして圧電薄膜共振子を製造し、得ら
れた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本共振周波数及び挿
入損失を表1に示した。
Comparative Examples 1 and 2 In Examples 1 and 2, the substrate was 1 μm thick on the surface.
A piezoelectric thin-film resonator was manufactured in the same manner except that a 250 μm-thick Si substrate on which an oxide film was formed was used, and the basic resonance frequency and the insertion loss of the thickness vibration of the obtained piezoelectric thin-film resonator were shown in Table 1. It was shown to.

【0058】[0058]

【表1】 [Table 1]

【0059】比較例3,4 実施例1,2において、上部電極間隔をPZT薄膜又は
PT薄膜の膜厚より小さい0.2μmとしたこと以外は
同様にして行ったところ、上部電極間に直流電界を印加
しても短絡してしまい分極処理を行うことができなかっ
た。
Comparative Examples 3 and 4 In Examples 1 and 2, except that the interval between the upper electrodes was set to 0.2 μm which was smaller than the thickness of the PZT thin film or the PT thin film, the same procedure was performed. Was applied, a short circuit occurred and the polarization treatment could not be performed.

【0060】実施例3 実施例1において、PZT膜厚を0.8μmとし、80
μm×75μmの長方形状のAl上部電極2個を上部電
極間隔75μmで形成したこと以外は同様にして圧電薄
膜共振子を作製し、その共振周波数及び挿入損失を表2
に示した。
Example 3 In Example 1, the PZT film thickness was set to 0.8 μm,
A piezoelectric thin-film resonator was fabricated in the same manner except that two rectangular Al upper electrodes of μm × 75 μm were formed at an upper electrode interval of 75 μm.
It was shown to.

【0061】実施例4 実施例3において、図2に示す如く、上部電極形成位置
に対向するSi基板の裏面側に、235μm×75μm
×235μm深さの凹部を形成したこと以外は同様にし
て圧電薄膜共振子を作製し、その共振周波数及び挿入損
失を表2に示した。本実施例では、基板に凹部を形成し
たが、基板表面にダイヤモンド薄膜が形成されているた
め、凹部形成による強度低下の問題はなかった。
Example 4 In Example 3, as shown in FIG. 2, a 235 μm × 75 μm
A piezoelectric thin-film resonator was manufactured in the same manner except that a concave portion having a depth of × 235 μm was formed, and its resonance frequency and insertion loss are shown in Table 2. In the present embodiment, the concave portion was formed in the substrate, but there was no problem of strength reduction due to the concave portion formation because the diamond thin film was formed on the substrate surface.

【0062】[0062]

【表2】 [Table 2]

【0063】実施例5 実施例1において、PZT薄膜の成膜後、図3に示す如
く、振動領域以外に厚さ1μmのSiO2 膜をスパッタ
により形成し、その後、このSiO2 膜とPZT薄膜と
にまたがるように、厚さ1500ÅのAl上部電極を上
部電極間隔180μmで形成したこと以外は同様にして
圧電薄膜共振子を作製した。この圧電薄膜共振子の上部
電極は、PZT薄膜上に形成された部分の面積が70μ
m×70μmで、SiO2 薄膜上に形成された部分の面
積が100μm×100μmで連結部の幅が20μmの
ものである。
Example 5 In Example 1, after forming the PZT thin film, as shown in FIG. 3, an SiO 2 film having a thickness of 1 μm was formed by sputtering except in the vibration region, and thereafter, this SiO 2 film and the PZT thin film were formed. A piezoelectric thin-film resonator was manufactured in the same manner as above except that an Al upper electrode having a thickness of 1500 ° was formed at an upper electrode interval of 180 μm. The upper electrode of this piezoelectric thin-film resonator has an area of 70 μm formed on the PZT thin film.
m × 70 μm, the area of the portion formed on the SiO 2 thin film is 100 μm × 100 μm, and the width of the connecting portion is 20 μm.

【0064】この圧電薄膜共振子について、上部電極の
面積のちがいによる、インピーダンスを調べ、実施例1
の圧電薄膜共振子と比較したところ、実施例1の圧電薄
膜共振子は50Ω付近であるのに対して、本実施例の圧
電薄膜共振子も50Ω付近であり、このような構成とし
ても、特性に変化はなく、上部電極形成位置をずらし
て、補強構造とすることができることがわかった。
For this piezoelectric thin-film resonator, the impedance due to the difference in the area of the upper electrode was examined.
When compared with the piezoelectric thin film resonator of Example 1, the piezoelectric thin film resonator of Example 1 is around 50Ω, while the piezoelectric thin film resonator of this embodiment is also around 50Ω. There was no change, and it was found that the reinforcing structure could be formed by shifting the upper electrode forming position.

【0065】[0065]

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の圧電薄膜共
振子によれば、圧電体膜として電気機械結合係数の大き
いPZT薄膜、又は、キューリー点が約500度と高く
厚み方向の結合係数と広がり方向の結合係数の値が大き
く異なる等の特徴を有するPT薄膜を用いるため、簡単
な構造においても広帯域なフィルタや発信周波数の広い
共振器を実現する圧電薄膜共振子を得ることができる。
また、上部電極を所定の間隔をあけて2個設けたため、
下部電極を端子電極として用いる必要がなく、この結
果、下部電極を露出するための煩雑な工程が不要とな
り、圧電薄膜共振子を容易に製造することが可能とな
る。しかも、基板として単結晶又は多結晶基板を用いる
ため、高いQ値を得ることができる。
As described in detail above, according to the piezoelectric thin film resonator of the present invention, a PZT thin film having a large electromechanical coupling coefficient as a piezoelectric film or a coupling coefficient in the thickness direction having a high Curie point of about 500 degrees. Since a PT thin film having characteristics such as a large difference in the coupling coefficient in the direction of spread and the like is used, it is possible to obtain a piezoelectric thin film resonator that realizes a wide band filter and a resonator having a wide oscillation frequency even with a simple structure.
Also, since two upper electrodes are provided at a predetermined interval,
There is no need to use the lower electrode as a terminal electrode. As a result, a complicated process for exposing the lower electrode is not required, and the piezoelectric thin film resonator can be easily manufactured. Moreover, since a single-crystal or polycrystalline substrate is used as the substrate, a high Q value can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の他の実施の形態を示す正面図である。FIG. 2 is a front view showing another embodiment of the present invention.

【図3】本発明の別の実施の形態を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing another embodiment of the present invention.

【図4】本発明の異なる実施の形態を示す図であって、
図4(a)は正面図、図4(b)は側面図である。
FIG. 4 shows a different embodiment of the present invention,
FIG. 4A is a front view, and FIG. 4B is a side view.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ダイヤモンド薄膜 2 Si基板 3 下部電極 4 PZT薄膜又はPT薄膜 5A,5B 上部電極 6 凹部 7 絶縁膜 Reference Signs List 1 diamond thin film 2 Si substrate 3 lower electrode 4 PZT thin film or PT thin film 5A, 5B upper electrode 6 concave portion 7 insulating film

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 単結晶又は多結晶基板と、該基板上に形
成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電体
薄膜と、該圧電体薄膜上に形成された2個の上部電極と
を備えてなる圧電薄膜共振子であって、 該圧電体薄膜がPZT薄膜又はPT薄膜であり、 該2個の上部電極同士の間の間隔が、該圧電体薄膜の膜
厚よりも大きいことを特徴とする圧電薄膜共振子。
1. A single-crystal or polycrystalline substrate, a lower electrode formed on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the lower electrode, and two upper portions formed on the piezoelectric thin film A piezoelectric thin-film resonator comprising: an electrode; wherein the piezoelectric thin-film is a PZT thin-film or a PT thin-film; and a distance between the two upper electrodes is larger than a thickness of the piezoelectric thin-film. A piezoelectric thin-film resonator characterized in that:
【請求項2】 請求項1において、前記単結晶又は多結
晶基板が単結晶又は多結晶ダイヤモンド基板であること
を特徴とする圧電薄膜共振子。
2. The piezoelectric thin film resonator according to claim 1, wherein said single crystal or polycrystalline substrate is a single crystal or polycrystalline diamond substrate.
【請求項3】 請求項2において、前記単結晶又は多結
晶基板がSi基板上に単結晶又は多結晶ダイヤモンド薄
膜が形成されたものであり、前記下部電極は、該基板の
ダイヤモンド薄膜上に形成されていることを特徴とする
圧電薄膜共振子。
3. The single crystal or polycrystalline substrate according to claim 2, wherein the single crystal or polycrystalline diamond thin film is formed on a Si substrate, and the lower electrode is formed on the diamond thin film of the substrate. A piezoelectric thin-film resonator characterized in that:
【請求項4】 請求項3において、前記ダイヤモンド薄
膜の厚さが1〜20μmであることを特徴とする圧電薄
膜共振子。
4. The piezoelectric thin film resonator according to claim 3, wherein said diamond thin film has a thickness of 1 to 20 μm.
【請求項5】 請求項1ないし4のいずれか1項におい
て、前記PZT薄膜又はPT薄膜はゾルゲル法により形
成されたものであり、その膜厚が0.1〜10μmであ
ることを特徴とする圧電薄膜共振子。
5. The PZT thin film or PT thin film according to claim 1, wherein the PZT thin film or the PT thin film is formed by a sol-gel method, and has a thickness of 0.1 to 10 μm. Piezoelectric thin film resonator.
【請求項6】 請求項1ないし5のいずれか1項におい
て、前記2個の上部電極同士の間の間隔が前記圧電体薄
膜の膜厚の2〜200倍であることを特徴とする圧電薄
膜共振子。
6. The piezoelectric thin film according to claim 1, wherein an interval between the two upper electrodes is 2 to 200 times a thickness of the piezoelectric thin film. Resonator.
【請求項7】 請求項1ないし6のいずれか1項におい
て、前記基板の下部電極形成面と反対側の面にエッチン
グにより凹部が形成されていることを特徴とする圧電薄
膜共振子。
7. The piezoelectric thin-film resonator according to claim 1, wherein a concave portion is formed by etching on a surface of the substrate opposite to a surface on which the lower electrode is formed.
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