薄膜壓電元件的製作方法

2024-02-17 16:12:15 2

專利名稱：薄膜壓電元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用彈性波的諧振器和濾波器等薄膜壓電元件。
背景技術：
薄膜壓電元件是利用壓電材料進行電信號與彈性波的變換作用、作為諧振器及濾波器而動作的元件。
下面，參照


先有的薄膜壓電元件。圖34和圖35是表示例如由「Fundamental mode VHF/UHF bulk acoustic wave resonators andfilters on silicon」，1980，IEEE，Ultrasonics symposium，PP.829-833(以下，稱為文獻1)所示的先有的薄膜壓電元件的結構的圖。圖34是俯視圖，圖35是圖34的剖面圖。
另外，圖36和圖37是表示例如由美國專利第4320365號(以下，稱為文獻2)所示的先有的其他薄膜壓電元件的結構的圖。圖36是俯視圖，圖37是圖36的剖面圖。
在圖34～圖37中，1是矽基板，2是下部電極，3是壓電薄膜，4是上部電極，5是輔助孔，6是音響的諧振部。
薄膜壓電元件的特性與音響的諧振部6關係極大。圖38是圖35所示的音響的諧振部6的放大圖。這裡，為了簡單起見，下部電極2表示為與上部電極4同樣的大小，但是，在實際的薄膜壓電元件中，如圖35所示，下部電極2與上部電極4的大小不同。
在圖38中，將覆蓋在上部電極4上的壓電薄膜3的區域稱為電極部壓電體7a，將上部電極4的外側的壓電薄膜3的區域稱為無電極部壓電體7b。設電極部壓電體7a上的彈性波的波數為「km」，無電極部壓電體7b上的彈性波的波數為「kf」。
電信號加到上部電極4與下部電極2之間時，在上部電極4與下部電極2之間就產生電場。壓電薄膜3具有電致伸縮的性質，所以，就激勵起與所加的電信號對應的彈性振動。這時，對於所加的電場的方向，激勵起什麼樣的振動成分的彈性振動，取決於所使用的壓電薄膜3的材質及結晶方位。在先有的薄膜壓電元件中，壓電薄膜3是使用氧化鋅(ZnO)和氮化鋁(AlN)。
加在上部電極4與下部電極2之間的電場激勵電極部壓電體7a發生彈性振動，產生沿厚度方向傳播的彈性波和沿與表面平行的方向傳播的彈性波。這時，由於上部電極4的上側面和下部電極2的下側面與大氣接觸，所以，上述沿厚度方向傳播的彈性波就在與大氣接觸的面上幾乎完全反射。另一方面，沿與表面平行的方向傳播的彈性波在電極部壓電體7a和無電極部壓電體7b中具有傳播特性不同的性質。
圖39是表示例如由「彈性波元件技術ハンドブック」、日本學術振興會彈性波元件技術第150委員會編、PP.82-87、1991(以下，稱為文獻3)所示的彈性波的傳播特性的圖。圖中，橫軸是沿與壓電薄膜3的表面平行的方向傳播的彈性波的波數，縱軸的右側是波數為實數的區域，縱軸的左側是波數為虛數的區域。縱軸是頻率。用實線所示的8表示在電極部壓電體7a中傳播的彈性波的彌散特性，虛線所示的9表示在無電極部壓電體7b中傳播的彈性波的彌散特性。
在圖39中，波數為實數，就表示是可以沿與上述壓電薄膜3表面平行的方向傳播的傳播區域，波數為虛數，就表示是不能沿與上述壓電薄膜3表面平行的方向傳播的截止區域。與縱軸交叉的頻率是與上述壓電薄膜3的厚度方向諧振時的頻率，即表示厚度諧振頻率，以該厚度諧振頻率為界，分為傳播區域和截止區域，所以，將上述厚度諧振頻率稱為截止頻率。這裡，設在電極部壓電體7a中傳播的彈性波的截止頻率為「f0m」、在無電極部壓電體7b中傳播的彈性波的截止頻率為「f0f」。通常，電極部壓電體7a就是上部電極4和下部電極2的厚度，厚度諧振的距離比無電極部壓電體7b的厚度長，並且受上部電極4和下部電極2的質量負荷的影響大，所以，電極部壓電體7a的截止頻率「f0m」比無電極部壓電體7 b的截止頻率「f0f」低。
圖39所示的特性，在比截止頻率高的頻率區域是傳播區域，在比截止頻率低的頻率區域是截止區域。這樣，就將在比截止頻率低的頻率成為截止區域的特性稱為「低頻截止型彌散特性」，以往廣泛使用的氧化鋅(ZnO)和氮化鋁(AlN)就具有這樣的低頻截止型彌散特性。
使用具有這樣的低頻截止型彌散特性的壓電薄膜3時，激勵的彈性波的頻率高，在電極部壓電體7a的波數「km」與無電極部壓電體7b的波數「kf」都是實數時，在電極部壓電體7a中激勵的彈性波就沿與上述壓電薄膜3表面平行的方向傳播，在無電極部壓電體7b中仍然沿該方向傳播。
另一方面，在頻率f介於電極部壓電體7a的厚度諧振頻率「f0m」與無電極部壓電體7b的厚度諧振頻率「f0f」的中間時，在電極部壓電體7a中是傳播區域，與此相反，在無電極部壓電體7b中是截止區域。因此，在電極部壓電體7a與無電極部壓電體7b的界面，沿與表面平行的方向傳播的彈性波發生反射，彈性波的能量被封閉在電極部壓電體7a中。該現象稱為「能量封閉」，由於彈性波的能量不會散逸到電極部以外，所以，具有可以實現表示諧振的性能的Q值高的諧振器的優點。先有的使用氧化鋅(ZnO)的薄膜壓電元件，利用能量封閉可以得到Q值高的諧振器。
但是，如「彈性波元件技術ハンドブック」、日本學術振興會彈性波元件技術第150委員會編、PP.125-129、1991(以下，稱為文獻4)所示的那樣，在壓電陶瓷中廣泛使用的鋯酸鈦酸鉛(PZT)及鈦酸鉛(PbTiO3)等的鉛系壓電材料的電機耦合係數「kt」為0.4～0.8，與此相反，氧化鋅(ZnO)的電機耦合係數「kt」小，約為0.3。如果電機耦合係數小，則做成諧振器時的容量比就增大，例如，使用上述諧振器構成電壓可調振蕩器時，可調頻率範圍就窄。另外，構成濾波器時，如果電機耦合係數小，在相同的介入損耗下所能實現的頻帶就窄。即，使用電機耦合係數小的氧化鋅等材料構成諧振器及濾波器等元件時，元件性能就受到很大的限制。
與此相反，例如典型的鉛系壓電陶瓷的鈦酸鉛(PbTiO3)就具有大的電機耦合係數，具有圖40所示的高頻截止型的彌散特性。即，比截止頻率高的頻率區域成為截止區域，比截止頻率低的頻率區域成為傳播區域。頻率f比電極部壓電體7a的截止頻率「f0m」高、比無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f」低時，在電極部壓電體7a中成為截止區域，在無電極部壓電體7b中成為傳播區域，所以，不能將能量封閉在電極部壓電體7a中，激勵的彈性波的能量將向無電極部壓電體7b傳播而散逸。這將導致大的損失。
作為使用這樣的高頻截止型的壓電體來實現壓電元件的方法，在例如文獻3中介紹了圖41所示的方法。即，使電極部壓電體7a的厚度「h2」比無電極部壓電體7b的厚度「h1」薄，在其上構成上部電極4和下部電極2。圖41所示的薄膜壓電元件的例子不是薄膜壓電元件，而是使用燒結的壓電陶瓷的板材的在數十MHz頻帶以下的頻率使用的壓電元件。
圖42是表示用於說明圖41所示的先有的壓電元件的動作的彌散特性的圖。在壓電體3的厚度相同、其厚度全為「h1」時，無電極部壓電體7b的截止頻率就是「f0f」，兩面有電極時的截止頻率為「f0f1」，由於電極的質量負荷的影響等，比無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f」低。與此相反，如果使壓電體3的厚度比無電極部壓電體7b薄，則電極部壓電體7a的截止頻率「f0m2」就增高。這是由於厚度諧振的諧振長度隨壓電體的厚度「h2」而變化的緣故。只要選擇了某一適當的厚度「h2」，就可以使電極部壓電體7a的截止頻率「f0m2」高於無電極部壓電體7b的截止頻率。
這時，電極部壓電體7a的彌散特性8在相同的波數下便可呈現比無電極部壓電體7b的彌散特性9高的頻率。因此，在比無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f」高、比電極部壓電體7a的截止頻率「f0 m2」低的頻率下，電極部壓電體7a成為傳播區域，而無電極部壓電體7b成為截止區域。即，可以將彈性波的能量封閉在電極部壓電體7a中，從而可以實現損失小的壓電元件。
圖43和圖44是表示例如由「壓電反作用の制御にょゐ周波數上升形工ネルギ-閉じてめ」、電子通信學會論文志、79/1、Vol.」62-A、No.1、PP.8-15、(以下，稱為文獻5)所示的先有的壓電元件的例子的圖。圖43是俯視圖，圖44是剖面圖。這裡，所示的是上部電極4和下部電極2為圓形的情況。
這時，也不是薄膜壓電元件，而是使用燒結的壓電陶瓷的板材的在數十MHz頻帶以下的頻率使用的壓電元件。電極部壓電體7a進行了極化處理，無電極部壓電體7b未進行極化處理。另外，在上部電極4與下部電極2之間串聯地插入電容器11。
圖45是表示用於說明圖43和圖44所示的先有的壓電元件的動作的彌散特性的圖。圖中，13是進行了極化處理時的無電極部壓電體的彌散特性，14是未進行極化處理時的無電極部壓電體的彌散特性，15是根據電氣端子計算時的彌散特性。
多數鈦酸鉛(PbTiO3)那樣的鉛系壓電陶瓷，通過對壓電體3加熱並加直流電壓，可以使壓電體3內部的極化整齊。因此，可以限定進行極化處理的壓電體3的區域，在圖43和圖44所示的例子中，只對電極部壓電體7a進行極化處理，而對無電極部壓電體7b不進行極化處理。如在文獻5中所述的那樣，未進行極化處理的無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f2」比進行了極化處理時的截止頻率「f0f1」低，成為彌散特性13。
另外，通過將適當的電容量的電容器11插入到上部電極4與電氣端子12a之間，可以使根據電氣端子12a計算的有效的電極部壓電體7a的厚度諧振頻率「f0m2」高於電極部壓電體7a的截止頻率「f0f1」，從而成為彌散特性15。因此，根據電氣端子12a計算時的動作就是電極部壓電體7a成為彌散特性15，而無電極部壓電體7b成為彌散特性13，所以，在頻率f高於無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f2」、低於根據電氣端子12a計算的電極部壓電體7a的厚度諧振頻率「f0m2」時，在電極部壓電體7a中就是傳播區域，在無電極部壓電體7b中就是截止區域，從而可以實現能量封閉。
圖46和圖47是表示例如文獻5所示的先有的壓電元件的例子的圖。圖46是俯視圖，圖47是剖面圖。這裡，示出了的是上部電極4和下部電極2為圓形的情況。
這時，也不是薄膜壓電元件，而是使用燒結的壓電陶瓷的板材的在數十MHz頻帶以下的頻率使用的壓電元件。圖中，16是短路電極，17是短路電極部壓電體。在文獻5所示的例中，短路電極部壓電體17進行了極化處理。短路電極16在上部電極4的外側相隔很小的間隔而構成，短路電極16與下部電極2電氣短路。另外，在上部電極4與電氣端子12a之間串聯地插入電容器11。
圖48是表示用於說明圖46和圖47所示的先有的壓電元件的動作的彌散特性的圖。圖中，18是短路電極部壓電體17的彌散特性。
如在文獻5中所述的那樣，由短路電極16和下部電極2覆蓋表面的短路電極部壓電體17的截止頻率「f0f2」低於表面為自由表面的無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f1」，成為彌散特性18。
另外，通過將適當的電容量的電容器11插入到上部電極4與電氣端子12a之間，可以使根據電氣端子12a計算的有效的電極部壓電體7a的厚度諧振頻率「f0m2」高於電極部壓電體7a的截止頻率「f0m1」，成為彌散特性15。因此，根據電氣端子12a計算時的動作就是電極部壓電體7a成為彌散特性15，而短路電極部壓電體17成為彌散特性18，所以，在頻率f高於短路電極部壓電體17的截止頻率「f0f2」、低於根據電氣端子12a計算的電極部壓電體7a的厚度諧振頻率「f0m2」時，在電極部壓電體7a中為傳播區域，而在短路電極部壓電體17中為截止區域，從而可以實現能量封閉。
在上述先有的薄膜壓電元件中，壓電薄膜使用的是氧化鋅(ZnO)及氮化鋁(AlN)。這些壓電薄膜的彌散特性是在比截止頻率高的頻率區域為傳播區域、而在比上述截止頻率低的頻率區域為截止區域的低頻區截止型彌散特性，可以實現將彈性波的能量封閉在電極部壓電體7a中的能量封閉，從而可以實現Q值高的諧振器及損耗低的濾波器。但是，氧化鋅(ZnO)及氮化鋁(AlN)的電機耦合係數小，在實現諧振器及濾波器時元件性能受到極大的限制。
另外，在使用不是薄膜壓電元件但電機耦合係數大的鉛系壓電陶瓷實現壓電元件時，根據所使用的壓電體不同，有時表現為比截止頻率高的頻率區域成為截止區域的高頻區截止型彌散特性，這時，就不能將彈性波的能量封閉在電極部壓電體7a中，從而不能實現性能充分的壓電元件。
為了克服這一缺點，迄今所知道的方法就是使電極部壓電體7a的厚度比其外側的無電極部壓電體7b的厚度薄，要將該方法應用於壓電薄膜3，必須利用液體或等離子體進行蝕刻。但是，嚴格地講，壓電薄膜是單晶這樣的微細的粒子聚集而構成的多晶結構，如果進行上述蝕刻處理，就具有出現該多晶粒子的粒子界面的性質。薄膜壓電元件的目的在於能夠在從數百MHz到數GHz以上的頻率下動作，所以，壓電薄膜的彈性波的波長非常小，約為微米或亞微米級。對上述壓電薄膜要求的表面的平滑度是波長的數分之一到數十分之一，所以，上述薄膜壓電元件所必須的需平滑度非常小。上述多晶粒子的粒子界面的尺寸多數為數十微米到數百微米，比所需要的表面平滑度粗糙。即，在薄膜壓電元件中，使壓電薄膜的厚度部分地變薄，在製造上是困難的。
另外，由圖35、圖37可知，薄膜壓電元件的壓電薄膜3也是機械地支持由於輔助孔5而成為懸浮結構的電極部周邊的重要的結構部件。另一方面，如「ECR-MBE法にょゐ20面サファィァ基板上ヘのZnO薄膜のエピタキシャル成長」、日本學術振興會彈性波素子技術第150委員會第52回研究資料、PP.1-6、1997(以下，稱為文獻6)、或「壓電體の面積を縮小したGHz帶薄膜バルク超音波フィルタ」、1997年電子情報通信學會基礎·境界ソサィエティ大會、A-11-6、pp.163、1997(以下，稱為文獻7)所示的那樣，在壓電薄膜3內部一定存在內部應力，多數情況是壓縮應力，所以，存在使上述壓電薄膜彎曲的應力。因此，如果使上述壓電薄膜3部分地變薄，則應力將集中到厚度變薄的端面上，在該端面將發生大的變形，從而薄膜壓電元件的性能將顯著地劣化，招致薄膜壓電元件被破壞。
通過只將電極部壓電體7a進行極化處理而對無電極部壓電體7b未進行極化處理並且將電容器11串聯地插入到上部電極4上，使根據電氣端子12a計算的有效的電極部壓電體7a的厚度諧振頻率「f0m2」高於無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f2」的方法是迄今所知道的方法，但是，必須未極化的無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f1」比進行了極化處理時的無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f1」低到所需要的程度，並且通過插入電容器11使根據電氣端子12a計算的電極部壓電體7a的厚度諧振頻率「f0m2」高於上述未極化的無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f2」。但是，能實現這一要求的條件是有限的，例如，在上部電極4使用質量負荷效果大的金(Au)或白金(Pt)時，由於電極部壓電體7a的截止頻率「f0f1」比無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f2」低得多，所以，即使插入電容器11，也難於使根據電氣端子12a計算的電極部壓電體7a的厚度諧振頻率「f0m2」低於無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f2」。
在以往在低頻廣泛使用的通過燒結陶瓷而製造的壓電陶瓷中，未極化時，各結晶粒子內的偶極矩的方向是雜亂無章的，作為壓電陶瓷全體而言，各結晶粒子內的偶極矩相互抵消，不表現出壓電性。另一方面，在壓電薄膜3的情況時，即使各結晶粒子內的偶極矩是雜亂的，就全體而言，多數情況是具有某一方向的偶極矩，即使未極化，也具有弱的壓電性。因此，與燒結陶瓷而製造的壓電陶瓷相比，由於未極化時與進行了極化處理時的壓電薄膜的特性之差小，所以，未極化的無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f2」與進行了極化處理時的無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f1」的頻率之差小，從而難於使根據電氣端子12a計算的電極部壓電體7a的厚度諧振頻率「f0m2」低於無電極部壓電體7b的截止頻率「f0f2」。
在將短路電極16形成到上部電極4的外側的方法中，必須使短路電極16與下部電極2電氣短路。但是，如薄膜壓電元件那樣，在以半導體工藝為主製造的元件中，在上述壓電薄膜3上開設通孔將短路電極16與下部電極2連接的方法，能夠實現的通孔的直徑大，不能作為現實的連接方式來使用。另外，在壓電薄膜3的外側的端面連接的方法，從壓電薄膜3的外側的端面到短路電極16的上部電極4側的端面有一定距離，由於短路電極16的電阻成分和電抗成分，上部電極4側的短路電極16的端面的電位不會成為接地電位，所以，短路電極部壓電體17的彌散特性將偏離使短路電極16成為接地電位時的彌散特性。特別是在高頻使用的薄膜壓電元件中，這一影響很大，從而難於實現所設計的特性。
本發明就是為了解決上述問題而提案的，目的旨在使用電機耦合係數大的壓電薄膜得到可以實現良好的性能的薄膜壓電元件。
發明的公開首先，本發明的薄膜壓電元件，是在上部電極的上側等設置增大厚度的第2上部電極，具體情況如下。
本發明的薄膜壓電元件，是在具有基板、在上述基板的一面形成的下部電極、在上述下部電極上形成的壓電薄膜和在上述壓電薄膜上形成的第1上部電極的薄膜壓電元件中，進而具有從上述第1上部電極的中心看在上述壓電薄膜上的上述第1上部電極的外側形成的質量負荷比上述第1上部電極大的第2上部電極，上述壓電薄膜具有高頻區截止型的彌散特性。
另外，本發明的薄膜壓電元件，上述第1和第2上部電極是一體地形成的，上述第2上部電極的厚度比上述第1上部電極大。
另外，本發明的薄膜壓電元件，上述第2上部電極的電極厚度與密度之積比上述第1上部電極的電極厚度與密度之積大。
另外，本發明的薄膜壓電元件，是將上述第2上部電極重疊到上述第1上部電極上的一部分上。
另外，本發明的薄膜壓電元件，是將上述第1上部電極與上述第2上部電極連接。
另外，本發明的薄膜壓電元件，是將寬度比上述第1上部電極窄的上述第2上部電極重疊到上述第1上部電極上。
此外，本發明的薄膜壓電元件，上述第1和第2上部電極是分為2個。
另外，本發明的薄膜壓電元件，進而具有在上述分為2個的第1上部電極間的上述壓電薄膜上形成的第3上部電極。
此外，本發明的薄膜壓電元件，是將上述基板作為半導體基板或電介質基板使用。
此外，本發明的薄膜壓電元件，使上述壓電薄膜的泊松比小於0.34。
此外，本發明的薄膜壓電元件，上述壓電薄膜以鈦酸鉛(PbTiO3)為主要成分。
此外，本發明的薄膜壓電元件，在上述基板與上述下部電極之間插入電介質層。
其次，本發明的薄膜壓電元件，是在上部電極的上側等設置電介質，具體情況如下。
本發明的薄膜壓電元件，在具有是在具有基板、在上述基板的一面形成的下部電極、在上述下部電極上形成的壓電薄膜和在上述壓電薄膜上形成的第1上部電極的薄膜壓電元件中，進而具有從上述上部電極的中心看在上述壓電薄膜上的上述上部電極的外側形成的電介質，上述壓電薄膜具有高頻區截止型的彌散特性。
另外，本發明的薄膜壓電元件，上述電介質是形成在上述上部電極上的一部分上。
另外，本發明的薄膜壓電元件，使上述電介質的膜厚與密度之積大於上述上部電極的電極厚度與密度之積。
另外，本發明的薄膜壓電元件，是將上述電介質重疊在上述上部電極上的一部分上。
另外，本發明的薄膜壓電元件，是將上述上部電極與上述電介質連接。
另外，本發明的薄膜壓電元件，是將寬度比上述上部電極窄的上述電介質重疊到上述上部電極上。
此外，本發明的薄膜壓電元件，上述上部電極和上述電介質分為2個。
另外，本發明的薄膜壓電元件，進而具有在上述分為2個的第1上部電極間的上述壓電薄膜上形成的第2上部電極。
此外，本發明的薄膜壓電元件，是將上述基板作為半導體基板或電介質基板使用。
此外，本發明的薄膜壓電元件，是上述壓電薄膜的泊松比小於0.34。
此外，本發明的薄膜壓電元件，是使上述壓電薄膜以鈦酸鉛(PbTiO3)為主要成分。
此外，本發明的薄膜壓電元件，是在上述基板與上述下部電極之間插入電介質層。
附圖的簡單說明圖1是表示本發明實施例1的薄膜壓電元件的上面的圖。
圖2是表示本發明實施例1的薄膜壓電元件的剖面的圖。
圖3是將圖2所示的音響的諧振部放大的圖。
圖4是表示圖3所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。
圖5是表示本發明實施例2的薄膜壓電元件的上面的圖。
圖6是表示本發明實施例2的薄膜壓電元件的剖面的圖。
圖7是將圖6所示的音響的諧振部放大的圖。
圖8是表示本發明實施例3的薄膜壓電元件的圖。
圖9是表示本發明實施例4的薄膜壓電元件的上面的圖。
圖10是表示本發明實施例4的薄膜壓電元件的剖面的圖。
圖11是將圖10所示的音響的諧振部放大的圖。
圖12是表示圖11所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。
圖13是表示本發明實施例5的薄膜壓電元件的圖。
圖14是表示圖13所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。
圖15是表示本發明實施例6的薄膜壓電元件的圖。
圖16是表示本發明實施例7的薄膜壓電元件的圖。
圖17是表示本發明實施例8的薄膜壓電元件的圖。
圖18是表示本發明實施例9的薄膜壓電元件的上面的圖。
圖19是表示本發明實施例9的薄膜壓電元件的剖面的圖。
圖20是將圖19所示的音響的諧振部放大的圖。
圖21是表示圖20所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。
圖22是表示本發明實施例10的薄膜壓電元件的上面的圖。
圖23是表示本發明實施例10的薄膜壓電元件的剖面的圖。
圖24是將圖23所示的音響的諧振部放大的圖。
圖25是表示本發明實施例11的薄膜壓電元件的圖。
圖26是表示本發明實施例12的薄膜壓電元件的上面的圖。
圖27是表示本發明實施例12的薄膜壓電元件的剖面的圖。
圖28是將圖27所示的音響的諧振部放大的圖。
圖29是表示圖28所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。
圖30是表示本發明實施例13的薄膜壓電元件的圖。
圖31是表示圖30所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。
圖32是表示本發明實施例14的薄膜壓電元件的圖。
圖33是表示本發明實施例15的薄膜壓電元件的圖。
圖34是表示先有的薄膜壓電元件的上面的圖。
圖35是表示圖34所示的薄膜壓電元件的剖面的圖。
圖36是表示先有的其他薄膜壓電元件的上面的圖。
圖37是表示圖36所示的薄膜壓電元件的剖面的圖。
圖38是表示圖34所示的薄膜壓電元件的音響的諧振部的放大圖。
圖39是表示彈性波的傳播特性的例子的圖。
圖40是表示高頻區截止型彌散特性的例子的圖。
圖41是表示先有的壓電元件的剖面的圖。
圖42是表示圖41所示的壓電元件的彌散特性的圖。
圖43是表示先有的其他壓電元件的上面的圖。
圖44是表示圖43所示的壓電元件的剖面的圖。
圖45是表示圖43和圖44所示的壓電元件的彌散特性的圖。
圖46是表示先有的其他壓電元件的上面的圖。
圖47是表示圖45所示的壓電元件的剖面的圖。
圖48是表示圖46和圖47所示的壓電元件的彌散特性的圖。
實施發明的最佳的形式下面，根據

本發明的各實施例。
首先，對於以下的實施例1～8說明將增大厚度的第2上部電極設置到上部電極的上側等的薄膜壓電元件。
實施例1.
參照圖1～圖4說明本發明實施例1的薄膜壓電元件。圖1是表示本發明實施例1的薄膜壓電元件的上面的圖。另外，圖2是表示本發明實施例1的薄膜壓電元件的剖面的圖。各圖中，相同的符號表示相同或相當的部分。
在圖1和圖2中，19是半導體基板或電介質基板、2是下部電極、3是壓電薄膜、4是上部電極、5是輔助孔、6是音響的諧振部、20是增大上部電極4的厚度的上部電極、21是空氣橋、22是墊片。
半導體基板或電介質基板19與薄膜壓電元件的音響的特性沒有直接的關係，所以，以往所使用的矽(Si)半導體基板、砷化鎵(GaAs)半導體基板那樣的半導體基板，也可以是玻璃、藍寶石、氧化鎂(MgO)那樣的沒有半導體特性的絕緣性的電介質基板。
特別是矽(Si)基板、砷化鎵(GaAs)基板、氧化鎂(MgO)基板耐高溫特性好，是優異的基板材料。下面，將半導體基板或電介質基板19總稱為半導體基板19。
在該半導體基板19上形成下部電極2。有時，在半導體基板19與下部電極2之間插入氧化矽(SiO、SiO2)及氮化矽(SiN)等電介質層。這對以下所示的所有的實施例也一樣。在下部電極2上形成壓電薄膜3，進而在壓電薄膜3上形成上部電極4。
空氣橋21用於將上部電極4與墊片22電氣連接，有時也使用與壓電薄膜3表面緊密接觸的線路與墊片22連接。
從半導體基板19的反面形成輔助孔5，使之成為下部電極2的下側的面與空氣接觸的結構。插入上述電介質層時，也有將上述電介質層除去而使下部電極2的下側的面與空氣接觸的情況和使上述電介質層的下側的面與空氣接觸的情況。這些結構與先有的薄膜壓電元件相同。
但是，實施例1的薄膜壓電元件的壓電薄膜3使用具有高頻區截止型的彌散特性的材料，並且在上部電極4的外側形成加厚的上部電極20的區域。
圖3是表示將圖2所示的音響的諧振部6放大的圖。圖中，23a是薄的地方的上部電極4部分的壓電體，23b是厚的上部電極20部分的壓電體，23c是無電極部壓電體，26是封閉諧振的反射面。
圖4是表示圖3所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。圖中，24是薄的上部電極部壓電體23a的彌散特性，25是厚的上部電極部壓電體23b的彌散特性。
雖然圖3所示的薄膜壓電元件的下部電極2與圖2所示的薄膜壓電元件的下部電極2結構不同，但是，圖3所示的下部電極2是簡略地表示的，實際的薄膜壓電元件是圖2所示的結構。
壓電薄膜3使用具有高頻區截止型的彌散特性的材料。例如，除了鈦酸鉛(PbTiO3)的基頻厚度縱振動、鋯酸鈦酸鉛(PZT)的3次諧波厚度滑行振動、鉭酸鋰(LiTaO3)Z板的基頻厚度縱振動等外，泊松比σ小於1/3的壓電體的基頻厚度縱振動等也具有高頻區截止型的彌散特性。這些壓電體具有非常大的電機耦合係數，與使用氧化鋅(ZnO)及氮化鋁(AlN)的先有的薄膜壓電元件相比，可以實現更良好的元件性能。泊松比σ是一種表示壓電體材料的特性的材料常數，在例如「彈性波素子技術ハンドブック」、日本學術振興會彈性波素子技術第150委員會編、pp.10-21、1991(以下，稱為文獻8)中有詳細的說明。
由於上部電極4和下部電極2的厚度與質量負荷效果，薄的上部電極部壓電體23a的截止頻率「f0m1」比無電極部壓電體23c的截止頻率「f0f」低。
另外，如果將上部電極4的外側的區域的電極厚度加厚、形成厚的上部電極20，由於厚的上部電極20的厚度與質量負荷效果，厚的上部電極部壓電體23b的截止頻率「f0m2」比薄的上部電極部壓電體23a的截止頻率「f0m1」更低。
因此，在薄的上部電極部壓電體23a的截止頻率「f0m1」與厚的上部電極部壓電體23b的截止頻率「f0m2」之間的頻率區域，在薄的上部電極部壓電體23a中成為傳播區域，而在厚的上部電極部壓電體23b中則成為截止區域，所以，薄的上部電極部壓電體23a與厚的上部電極部壓電體23b的界面就成為反射面26，將彈性波的能量封閉，從而可以實現封閉諧振。
因此，通過採用這樣的結構，使用電機耦合係數大的鈦酸鉛(PbTiO3)、鋯酸鈦酸鉛(PZT)、鉭酸鋰(LiTaO3)等壓電體就可以實現能量封閉，從而可以實現元件性能更良好的薄膜壓電元件。
實施例2.
參照圖5～圖7說明本發明實施例2的薄膜壓電元件。圖5是表示本發明實施例2的薄膜壓電元件的上面的圖。圖6是表示本發明實施例2的薄膜壓電元件的剖面的圖。此外，圖7是將圖6所示的音響的諧振部放大所示的圖。實施例2的薄膜壓電元件是2電極結構的濾波器的例子。
圖7的薄膜壓電元件的彌散特性和圖4所示的彌散特性相同。壓電薄膜3具有高頻區截止型的彌散特性，厚的上部電極部壓電體23b的截止頻率「f0m2」低於薄的上部電極部壓電體23a的截止頻率「f0m1」。
因此，在薄的上部電極部壓電體23a的截止頻率「f0m1」與厚的上部電極部壓電體23b的截止頻率「f0m2」之間的頻率區域，在薄的上部電極部壓電體23a中成為傳播區域，而在厚的上部電極部壓電體23b中則成為截止區域，所以，薄的上部電極部壓電體23a與厚的上部電極部壓電體23b的界面就成為反射面26，將彈性波的能量封閉，從而可以實現封閉諧振。
在封閉諧振中，在與壓電薄膜3的表面平行的方向發生諧振，在濾波器的情況下，上部電極4分為2個電極，所以，2個上部電極4發生電位相同的對稱模式的諧振和極性相反的非對稱模式的諧振。並且，在改善對稱模式諧振的諧振頻率與發生非對稱模式諧振的諧振頻率接近時，在2個上部電極4間發生耦合，顯示濾波特性。
2個諧振模式的諧振頻率取決於所使用的壓電薄膜3的種類、上部電極4的間隔、薄的上部電極4的物理尺寸、厚的上部電極20的物理尺寸和電極材料。在文獻3中詳細說明了使用能量封閉的濾波器動作。
在濾波器的情況時，如果不能發生封閉諧振，介入損耗將增大，在頻帶外將發生很多寄生信號，但是，通過使用圖7所示的薄膜壓電元件，就可以實現封閉諧振，與可以使用電機耦合係數大的壓電薄膜的情況一致，從而可以實現損耗更低的具有良好的特性的薄膜壓電元件。
實施例3.
參照圖8說明本發明實施例3的薄膜壓電元件。圖8是將本發明實施例3的薄膜壓電元件的音響的諧振部放大所示的圖。實施例3的薄膜壓電元件的其他結構與實施例2相同。
與圖7所示的實施例2的情況所不同的是上部電極4的外側部分採用和薄的上部電極4相同的電極厚度。封閉諧振在反射面26的內側發生，所以，即使在反射面26的外側存在薄的上部電極4，在原理上也與封閉諧振無關，圖8所示的薄膜壓電元件的動作和圖7所示的薄膜壓電元件相同。
為了將圖3、圖7和圖8所示的上部電極4的一部分的電極厚度加厚，有預先用厚的上部電極20的電極厚度形成上部電極、然後利用蝕刻等方式形成薄的上部電極4的方法和先形成薄的上部電極4、然後利用分離等方法將電極進而重疊到厚的上部電極上來增厚電極厚度的方法。實施例3的薄膜壓電元件可以適用於上述任何一種製造方法。
實施例4.
參照圖9～圖12說明本發明實施例4的薄膜壓電元件。圖9是表示本發明實施例4的薄膜壓電元件的上面的圖。另外，圖10是表示本發明實施例4的薄膜壓電元件的剖面的圖。
在圖9和圖10中，4是第1上部電極，27是第2上部電極。
圖11是將圖10所示的音響的諧振部放大所示的圖。圖中，28a是第1上部電極4部分的壓電體，28b是第2上部電極27部分的壓電體，28c是無電極部壓電體。
圖12是表示圖11所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。圖中，29是第1上部電極部壓電體28a的彌散特性，30是第2上部電極部壓電體28b的彌散特性。
設第1上部電極4的電極厚度為「d1」、密度為「ρ1」，第2上部電極27的電極厚度為「d2」、密度為「ρ2」。在第2上部電極27的電極厚度「d2」與密度「ρ2」之積(d2ρ2)大於第1上部電極4的電極厚度「d1」與密度「ρ1」之積(d1ρ1)時，第2上部電極部壓電體28b的截止頻率「f0m2」就比第1上部電極部壓電體28a的截止頻率「f0m1」低。
因此，在第1上部電極部壓電體28a的截止頻率「f0m1」與第2上部電極部壓電體28b的截止頻率「f0m2」之間的頻率區域就可以實現能量封閉，從而可以實現性能良好的薄膜壓電元件。
在第2上部電極27的材料與第1上部電極4相同時，就必須使第2上部電極27的電極厚度「d2」比第1上部電極4的電極厚度「d1」厚。
另一方面，如果使用不同的材料，例如第2上部電極27的密度比第1上部電極4的密度大時，有時可以使第2上部電極27的電極厚度「d2」與第1上部電極4的電極厚度「d1」相等或比其薄。
實施例5.
參照圖13和圖14說明本發明實施例5的薄膜壓電元件。圖13是表示將本發明實施例5的薄膜壓電元件的音響的諧振放大的部分的圖。另外，圖14是表示圖13所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。實施例5的薄膜壓電元件的其他結構與實施例4相同。
在圖13中，31是第1上部電極4與第2上部電極27重疊的區域的壓電體。
在圖14中，32是第1和第2上部電極重疊的區域的壓電體31的彌散特性。
在圖13所示的薄膜壓電元件中，封閉諧振的反射面26是重疊在第1上部電極4上的第2上部電極27的端面的下側。由於第1上部電極4的電極厚度「d1」與質量負荷效果和第2上部電極27的電極厚度「d2」與質量負荷效果，第1和第2上部電極重疊的區域的壓電體31的截止頻率「f0m2」比第1上部電極部壓電體28a的截止頻率「f0m1」低。
因此，在第1上部電極部壓電體28a的截止頻率「f0m1」與第1和第2上部電極重疊的區域的壓電體31的截止頻率「f0m2」之間的頻率區域發生能量封閉。即，可以實現能量封閉的濾波動作。
在圖13所示的薄膜壓電元件中，只要第2上部電極27的電極厚度「d2」及密度「ρ2」可以使第1和第2上部電極重疊的區域的壓電體31的截止頻率「f0m2」低到濾波動作上所需要的程度就可以，對第1上部電極4的電極厚度「d1」和密度「ρ1」的限制比圖11所示的情況寬。這就是要利用將第2上部電極27重疊到第1上部電極4上的結構的原因。
實施例6.
參照圖15說明本發明實施例6的薄膜壓電元件。圖15是表示將本發明實施例6的薄膜壓電元件的音響的諧振部放大的部分的圖。實施例6的薄膜壓電元件的其他結構與實施例4相同。
圖15所示的薄膜壓電元件相當於將圖11所示的薄膜壓電元件的第1上部電極4與第2上部電極27連接而成的元件。因此，能量封閉的動作原理與圖11所示的薄膜壓電元件的情況相同。
因此，第2上部電極27的質量負荷必須大於第1上部電極4的質量負荷。即，第2上部電極27的電極厚度「d2」與密度「ρ2」之積(d2ρ2)必須大於第1上部電極4的電極厚度「d1」與密度「ρ1」之積(d1ρ1)。
這時，在第1上部電極4和第2上部電極27為相同材料時，由於密度相同，所以，第2電極27的電極厚度「d2」必須比第1電極4的電極厚度「d1」厚，這樣，就成為與圖7所示的實施例2的薄膜壓電體相同的結構。
實施例7.
參照圖16說明本發明實施例7的薄膜壓電元件。圖16是表示將本發明實施例7的薄膜壓電元件的音響的諧振部放大的部分的圖。實施例7的薄膜壓電元件的其他結構與實施例4相同。
在實施例7中，採用的是將第2上部電極27全體重疊在第1上部電極4上的結構。第2上部電極27重疊在第1上部電極4上的部分的彌散特性與圖14所示的彌散特性相同，所以，能量封閉的動作原理和圖13所示的實施例5的薄膜壓電元件的情況基本上相同。
因此，在圖16所示的薄膜壓電元件中，和圖13所示的情況相同，只要第2上部電極27的電極厚度「d2」及密度「ρ2」可以使第1和第2的上部電極重疊的區域的壓電體31的截止頻率「f0m2」降低到濾波動作上所需要的程度就可以，所以，對第1上部電極4的電極厚度「d1」和密度「ρ1」的限制比圖15所示的實施例6的情況寬。這就是利用將第2上部電極27重疊到第1上部電極4上的結構的原因。
實施例8.
參照圖17說明本發明實施例8的薄膜壓電元件。圖17是表示將本發明實施例8的薄膜壓電元件的音響的諧振部放大的部分的圖。實施例8的薄膜壓電元件的其他結構和實施例7相同。
在圖17中，33是第3上部電極，34是第3上部電極部壓電體。
第3上部電極33是為了提高薄膜壓電元件的濾波特性的設計的自由度而插入的。該第3上部電極部壓電體34的彌散特性與第1上部電極部壓電體28a的彌散特性接近。即，可以認為第3上部電極部壓電體34的截止頻率「f0m3」與第1上部電極部壓電體28a的截止頻率「f0m1」接近。
因此，圖17所示的薄膜壓電體的彌散特性可以使用圖14進行考慮。即，能量封閉的反射面26是在將第2上部電極27重疊到第1上部電極上的內側的端面的下側。
本發明不限定於鈦酸鉛(PbTiO3)、鋯酸鈦酸鉛(PZT)、鉭酸鋰(LiTaO3)、泊松比σ小於1/3的壓電體，可以應用於具有高頻區截止型的彌散特性的所有的壓電體。
另外，也可以將圖11、圖13、圖15、圖16所示的方法應用於圖1和圖2所示的諧振器。
此外，如圖17所示，利用比2電極結構多的多電極構成薄膜壓電元件時，也可以應用圖7、圖8、圖11、圖13、圖15、圖16所示的方法。
另外，在圖1、圖2和圖3中，是使用空氣橋21從上部電極4取出電信號，但是，從上部電極4取出電信號的方法並不限定於空氣橋21，也可以是在壓電薄膜3表面上構成線路的方法或其他任意的方法。
此外，這裡輔助孔5是從半導體基板19的反面開孔的結構，但是，並不限於此，可以是從半導體基板19的表面使用各向異性蝕刻等方法在音響的諧振部6的下側設置空隙的方法，也可以是利用蝕刻等除去預先準備的薄膜而設置層狀的空隙的方法，或者將音響的特性不同的層重疊數層比利用上述多層結構反射沿厚度方向傳播的彈性波的方法。
下面，對於以下的實施例9～15說明在上部電極的上側等設置電介質的薄膜壓電元件。
實施例9.
參照圖18～圖21說明本發明實施例9的薄膜壓電元件。圖18是表示本發明實施例9的薄膜壓電元件的上面的圖。另外，圖19是表示本發明實施例9的薄膜壓電元件的剖面的圖。
各圖中，相同的符號表示相同或相當的部分。
在圖18和圖19中，19是半導體基板或電介質基板、2是下部電極、3是壓電薄膜、4是上部電極、5是輔助孔、6是音響的諧振部、20A是電介質、21是空氣橋、22是墊片。
半導體基板或電介質基板19與薄膜壓電元件的音響的特性沒有直接關係，所以，以往所使用的矽(Si)半導體基板、砷化鎵(GaAs)半導體基板那樣的半導體基板，也可以是玻璃、藍寶石、氧化鎂(MgO)那樣的沒有半導體特性的絕緣性的電介質基板。
特別是矽(Si)基板、砷化鎵(GaAs)基板、氧化鎂(MgO)基板耐高溫特性好，是優異的基板材料。下面，將半導體基板或電介質基板19總稱為半導體基板19。
在該半導體基板19上形成下部電極2。有時，在半導體基板19與下部電極2之間插入氧化矽(SiO、SiO2)及氮化矽(SiN)等電介質層。這對以下所示的所有的實施例也一樣。在下部電極2上形成壓電薄膜3，進而在壓電薄膜3上形成上部電極4。
空氣橋21用於將上部電極4與墊片22電氣連接，有時也使用與壓電薄膜3表面緊密接觸的線路與墊片22連接。
從半導體基板19的反面形成輔助孔5，使之成為下部電極2的下側的面與空氣接觸的結構。插入上述電介質層時，也有將上述電介質層除去而使下部電極2的下側的面與空氣接觸的情況和使上述電介質層的下側的面與空氣接觸的情況。這些結構與先有的薄膜壓電元件相同。
但是，實施例1的薄膜壓電元件的壓電薄膜3使用具有高頻區截止型的彌散特性的材料，並且在上部電極4的外側形成電介質20A的區域。
圖20是將圖19所示的音響的諧振部6放大的圖。圖中，23a是上部電極4部分的壓電體，23b是電介質20A部分的壓電體，23c是無電極部壓電體，26是封閉諧振的反射面。
圖21是表示圖20所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。圖中，24是上部電極部壓電體23a的彌散特性，25是電介質部壓電體23b的彌散特性。
雖然圖20所示的薄膜壓電元件的下部電極2與圖19所示的薄膜壓電元件的下部電極2結構不同，但是，圖20所示的下部電極2是簡略地表示的。另外，圖19所示的薄膜壓電元件是空氣橋21與上部電極4電氣連接，表示的是在空氣橋21與上部電極4之間沒有電介質20A的圖，在圖20中表示的是有電介質20A的情況。實際的薄膜壓電元件是圖19所示的結構。
壓電薄膜3使用具有高頻區截止型的彌散特性的材料。例如，除了鈦酸鉛(PbTiO3)的基頻厚度縱振動、鋯酸鈦酸鉛(PZT)的3次諧波厚度滑行振動、鉭酸鋰(LiTaO3)Z板的基頻厚度縱振動等外，泊松比σ小於1/3的壓電體的基頻厚度縱振動等也具有高頻區截止型的彌散特性。這些壓電體具有非常大的電機耦合係數，與使用氧化鋅(ZnO)及氮化鋁(AlN)的先有的薄膜壓電元件相比，可以實現更良好的元件性能。泊松比σ是一種表示壓電體材料的特性的材料常數，在例如「彈性波素子技術ハンドブック」、日本學術振興會彈性波素子技術第150委員會編、pp.10-21、1991(文獻8)中有詳細的說明。
由於上部電極4和下部電極2的厚度和質量負荷效果，上部電極部壓電體23a的截止頻率「f0m」比無電極部壓電體23c的截止頻率「f0f1」低。
另外，如果在上部電極4的上側的區域形成電介質20A，由於上部電極4和電介質20A的厚度和質量負荷效果，電介質部壓電體23b的「f0f2」比上部電極部壓電體23a的「f0m」更低。
因此，在薄的上部電極部壓電體23a的截止頻率「f0m」與電介質部壓電體23b的截止頻率「f0f2」之間的頻率區域，在上部電極部壓電體23a中成為傳播區域，而在電介質部壓電體23b中則成為截止區域，所以，上部電極部壓電體23a與電介質部壓電體23b的界面就成為反射面26，將彈性波的能量封閉，從而可以實現封閉諧振。
因此，通過採用這樣的結構，使用電機耦合係數大的鈦酸鉛(PbTiO3)、鋯酸鈦酸鉛(PZT)、鉭酸鋰(LiTaO3)等壓電體就可以實現能量封閉，從而可以實現元件性能更良好的薄膜壓電元件。
實施例10.
參照圖22～圖24說明本發明實施例10的薄膜壓電元件。圖22是表示本發明實施例10的薄膜壓電元件的上面的圖。另外，圖23是表示本發明實施例10的薄膜壓電元件的剖面的圖。此外，圖24是將圖23所示的音響的諧振部放大所示的圖。實施例10的薄膜壓電元件是2電極結構的濾波器的例子。
圖24的薄膜壓電元件的彌散特性和圖21所示的彌散特性相同。壓電薄膜3具有高頻區截止型的彌散特性，電介質部壓電體23b的截止頻率「f0f2」比上部電極部壓電體23a的截止頻率「f0m」低。
因此，在薄的上部電極部壓電體23a的截止頻率「f0m」與電介質部壓電體23b的截止頻率「f0f2」之間的頻率區域，在上部電極部壓電體23a中成為傳播區域，而在電介質部壓電體23b中則成為截止區域，所以，上部電極部壓電體23a與電介質部壓電體23b的界面就成為反射面26，將彈性波的能量封閉，從而可以實現封閉諧振。
在封閉諧振中，在與壓電薄膜3的表面平行的方向發生諧振，在濾波器的情況下，上部電極4分為2個電極，所以，2個上部電極4發生電位相同的對稱模式的諧振和極性相反的非對稱模式的諧振。並且，在改善對稱模式諧振的諧振頻率與發生非對稱模式諧振的諧振頻率接近時，在2個上部電極4間發生耦合，顯示濾波特性。
2個諧振模式的諧振頻率取決於所使用的壓電薄膜3的種類、上部電極4的間隔、薄的上部電極4的物理尺寸、厚的上部電極20的物理尺寸和電極材料。在文獻3中詳細說明了使用能量封閉的濾波器動作。
在濾波器的情況時，如果不能發生封閉諧振，介入損耗將增大，在頻帶外將發生很多寄生信號，但是，通過使用圖7所示的薄膜壓電元件，就可以實現封閉諧振，與可以使用電機耦合係數大的壓電薄膜的情況一致，從而可以實現損耗更低的具有良好的特性的薄膜壓電元件。
實施例11.
參照圖25說明本發明實施例11的薄膜壓電元件。圖25是將本發明實施例11的薄膜壓電元件的音響的諧振部放大所示的圖。實施例11的薄膜壓電元件的其他結構和實施例10相同。
和圖24所示的實施例10的情況所不同的是在上部電極4的外側部分的端部的內側形成電介質20A。由於封閉諧振在反射面26的內側發生，所以，即使在反射面26的外側存在沒有電介質20A的區域，在原理上也與封閉諧振無關，圖25所示的薄膜壓電元件的動作和圖24所示的薄膜壓電元件基本上相同。
為了在圖20、圖24和圖25所示的上部電極4上形成電介質20A，有預先在上部電極4的上面全部形成電介質20A、然後利用蝕刻等方式除去不需要的電介質20A的方法和先形成上部電極4、然後利用分離或掩膜等方法限定形成電介質20A的區域的方法。實施例11的薄膜壓電元件可以適用於上述任何一種製造方法。
另外，所使用的電介質，可以是氧化矽(SiO、SiO2)、氮化矽(SiN)等矽系的化合物、也可以是二氧化鈦(TiO2)等鈦系的化合物或其他電介質，另外，也可以使用適合於與薄膜壓電元件使用的各部分結構的材料組合的電介質。
實施例12.
參照圖26～圖29說明本發明實施例12的薄膜壓電元件。圖26是表示本發明實施例12的薄膜壓電元件的上面的圖。另外，圖27是表示本發明實施例12的薄膜壓電元件的剖面的圖。
在圖26和圖27中，4是上部電極，27A是電介質。
圖28是將圖27所示的音響的諧振部放大所示的圖。圖中，28a是上部電極4部分的壓電體，28b是電介質27A部的壓電體，28c是無電極部壓電體。
圖29是表示圖28所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。圖中，29是上部電極部壓電體28a的彌散特性，30是電介質部壓電體28b的彌散特性。
設上部電極4的電極厚度為「d1」、密度為「ρ1」，電介質27A的膜厚為「d2」、密度為「ρ2」。在電介質27A的膜厚「d2」與密度「ρ2」之積(d2ρ2)大於上部電極4的電極厚度「d1」與密度「ρ1」之積(d1ρ1)時，電介質部壓電體28b的截止頻率「f0f2」就比上部電極部壓電體28a的截止頻率「f0m」低。
因此，在上部電極部壓電體28a的截止頻率「f0m」與電介質部壓電體28b的截止頻率「f0f2」之間的頻率區域就可以實現能量封閉，從而可以實現性能良好的薄膜壓電元件。
實施例13.
參照圖30和圖31說明本發明實施例13的薄膜壓電元件。圖30是表示將本發明實施例13的薄膜壓電元件的音響的諧振部放大的部分的圖。另外，圖31是表示圖30所示的薄膜壓電元件的彌散特性的圖。實施例13的薄膜壓電元件的其他結構和實施例12相同。
在圖30中，31是上部電極4和電介質27A重疊的區域的壓電體。
在圖31中，32是上部電極4和電介質27A重疊的區域的壓電體3 1的彌散特性。
在圖30所示的薄膜壓電元件中，封閉諧振的反射面26是在重疊在上部電極4上的電介質27A的端面的下側。由於上部電極4的電極厚度「d1」和質量負荷效果及電介質27A的膜厚「d2」和質量負荷效果，上部電極4和電介質27A重疊的區域的壓電體31的截止頻率「f0f2」比上部電極部壓電體28a的截止頻率「f0m」低。
因此，在上部電極部壓電體28a的截止頻率「f0m」與上部電極4和電介質27A重疊的區域的壓電體31的截止頻率「f0f2」之間的頻率區域發生能量封閉。即，可以實現利用能量封閉的濾波動作。
在圖30所示的薄膜壓電元件中，只要電介質27A的膜厚「d2」及密度「ρ2」可以使上部電極4和電介質27A重疊的區域的壓電體31的截止頻率「f0f2」降低到在濾波動作上所需要的程度就可以，對上部電極4的電極厚度「d1」和密度「ρ1」的限制比圖28所示的情況寬。這就是利用將電介質27A重疊到上部電極4上的結構的原因。
實施例14.
參照圖32說明本發明實施例14的薄膜壓電元件。圖32是表示將本發明實施例14的薄膜壓電元件的音響的諧振部放大的部分的圖。實施例14的薄膜壓電元件的其他結構和實施例12相同。
圖32所示的薄膜壓電元件相當於將圖28所示的薄膜壓電元件的上部電極4與電介質27A連接而成的元件。因此，能量封閉的動作原理和圖28所示的薄膜壓電體的情況相同。
因此，電介質27A的質量負荷必須大於上部電極4的質量負荷。即，電介質27A的膜厚「d2」與密度「ρ2」之積(d2ρ2)必須大於上部電極4的電極厚度「d1」與密度「ρ1」之積(d1ρ1)。
實施例15.
參照圖33說明本發明實施例15的薄膜壓電元件。圖33是表示將本發明實施例15的薄膜壓電元件的音響的諧振部放大的部分的圖。實施例15的薄膜壓電元件的其他結構和實施例12相同。
在圖33中，33是第2上部電極，34是第2上部電極部壓電體。
第2上部電極33是為了提高薄膜壓電元件的濾波特性的設計的自由度而插入的。該第2上部電極部壓電體34的彌散特性與第1上部電極部壓電體28a的彌散特性接近。即，可以認為第2上部電極部壓電體34的截止頻率「f0f3」與第1上部電極部壓電體28a的截止頻率「f0m」接近。
因此，圖33所示的薄膜壓電體的彌散特性可以使用圖31進行考慮。即，能量封閉的反射面26是在將電介質27A重疊到第1上部電極4上的內側的端面的下側。
本發明不限定於鈦酸鉛(PbTiO3)、鋯酸鈦酸鉛(PZT)、鉭酸鋰(LiTaO3)、泊松比σ小於1/3的壓電體，可以應用於具有高頻區截止型的彌散特性的所有的壓電體。
另外，也可以將圖28、圖30、圖32所示的方法應用於圖18和圖19所示的諧振器。
此外，如圖33所示，利用比2電極結構多的多電極構成薄膜壓電元件時，也可以應用圖24、圖25、圖28、圖30、圖32所示的方法。
另外，在圖18、圖19和圖20中，是使用空氣橋21從上部電極4取出電信號，但是，從上部電極4取出電信號的方法並不限定於空氣橋21，也可以是在壓電薄膜3表面上構成線路的方法或其他任意的方法。
此外，這裡輔助孔5是從半導體基板19的反面開孔的結構，但是，並不限於此，可以是從半導體基板19的表面使用各向異性蝕刻等方法在音響的諧振部6的下側設置空隙的方法，也可以是利用蝕刻等除去預先準備的薄膜而設置層狀的空隙的方法，或者將音響的特性不同的層重疊數層比利用上述多層結構反射沿厚度方向傳播的彈性波的方法。
產業上利用的可能性首先，本發明的薄膜壓電元件，是在上部電極的上側等設置將厚度增大的第2上部電極的元件，具體情況如下。
本發明的薄膜壓電元件，如上所述，在具有基板、在上述基板的一面形成的下部電極、在上述下部電極上形成的壓電薄膜和在上述壓電薄膜上形成的第1上部電極的薄膜壓電元件中，進而具有從上述第1上部電極的中心看在上述壓電薄膜上的上述第1上部電極的外側形成的質量負荷比上述第1上部電極大的第2上部電極，上述壓電薄膜具有高頻區截止型的彌散特性，所以，可以使質量負荷大的第2上部電極部壓電體的截止頻率比第1上部電極部壓電體的截止頻率低，在第1上部電極部側的區域可以將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，上述第1和第2上部電極一體地形成，上述第2上部電極的厚度大於上述第1上部電極，所以，可以使厚度大的第2上部電極的截止頻率比第1上部電極部壓電體的截止頻率低，可以在第1上部電極部側的區域將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，上述第2上部電極的電極厚度與密度之積大於上述第1上部電極的電極厚度與密度之積，所以，可以使電極厚度與密度之積大的第2上部電極的截止頻率比第1上部電極部壓電體的截止頻率低，在第1上部電極部側的區域可以將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，將上述第2上部電極重疊在上述第1上部電極上的一部分上，所以，可以使第2上部電極與第1上部電極重疊的電極部的壓電體的截止頻率比第1上部電極部壓電體的截止頻率低，在第1上部電極部側的區域可以將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，將上述第1上部電極與上述第2上部電極連接，所以，可以使質量負荷大的第2上部電極部壓電體的截止頻率比第1上部電極部壓電體的截止頻率低，在第1上部電極部側的區域可以將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，將寬度比上述第1上部電極窄的上述第2上部電極重疊在上述第1上部電極上，所以，可以使第2上部電極與第1上部電極重疊的電極部的壓電體的截止頻率比第1上部電極部壓電體的截止頻率，在第1上部電極部側的區域可以將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
此外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，上述第1和第2上部電極分為2個電極，所以，可以實現良好的濾波特性的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，進而具有在上述分為2個電極的第1上部電極間的上述壓電薄膜上形成的第3上部電極，從而可以實現良好的濾波特性的性能，同時可以提高濾波特性的設計的自由度。
此外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，將上述基板作為半導體基板或電介質基板使用，所以，可以實現良好的性能。
此外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，使上述壓電薄膜的泊松比小於0.34，所以，可以使用電機耦合係數大的壓電薄膜，從而可以實現良好的性能。
此外，本發明的壓電元件，如上所述，上述壓電薄膜以鈦酸鉛(PbTiO3)為主要成分，所以，可以使用電機耦合係數大的壓電薄膜，從而可以實現良好的性能。
此外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，在上述基板與上述下部電極之間插入電介質層，所以，可以實現良好的性能。
其次，本發明的薄膜壓電元件，在上部電極的上側等設置電介質，具體情況如下。
本發明的薄膜壓電元件，如上所述，在具有基板、在上述基板的一面形成的下部電極、在上述下部電極上形成的壓電薄膜和在上述壓電薄膜上形成的上部電極的薄膜壓電元件中，進而具有從上述上部電極的中心看在上述壓電薄膜上的上述上部電極的外側形成的電介質，上述壓電薄膜具有高頻區截止型的彌散特性，所以，可以使電介質部壓電體的截止頻率比上部電極部壓電體的截止頻率，在上部電極部側的區域將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，上述電介質在上述上部電極上的一部分上形成，所以，在上部電極部側的區域可以將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，由於使上述電介質的膜厚與密度之積大於上述上部電極的電極厚度與密度之積，所以，可以使膜厚與密度之積大的電介質的截止頻率比上部電極部壓電體的截止頻率低，在上部電極部側的區域可以將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，將上述電介質重疊在上述上部電極上的一部分上，所以，可以使電介質與上部電極重疊的電極部的壓電體的截止頻率比上部電極部壓電體的截止頻率低，在上部電極部側的區域可以將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，將上述上部電極與上述電介質連接，所以，可以使電介質部壓電體的截止頻率比上部電極部壓電體的截止頻率低，在上部電極部側的區域可以將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，將寬度比上述上部電極窄的上述電介質重疊在上述上部電極上，所以，可以使電介質與上部電極重疊的電極部的壓電體的截止頻率比上部電極部壓電體的截止頻率低，在上部電極部側的區域可以將彈性波的能量封閉，從而可以實現良好的性能。
此外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，上述上部電極和上述電介質分為2個，所以，可以實現良好的濾波特性的性能。
另外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，進而具有在上述分為2個電極的第1上部電極間的上述壓電薄膜上形成的第2上部電極，所以，可以實現良好的濾波特性的性能，同時可以提高濾波特性的設計的自由度。
此外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，將上述基板作為半導體基板或電介質基板使用，所以，可以實現良好的性能。
此外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，使上述壓電薄膜的泊松比小於0.34，所以，可以使用電機耦合係數大的壓電薄膜，從而可以實現良好的性能。
此外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，上述壓電薄膜以鈦酸鉛(PbTiO3)為主要成分，所以，可以使用電機耦合係數大的壓電薄膜，從而可以實現良好的性能。
此外，本發明的薄膜壓電元件，如上所述，在上述基板與上述下部電極之間插入電介質層，所以，可以實現良好的性能。
權利要求
1.一種薄膜壓電元件，具有基板、在上述基板的一面形成的下部電極、在上述下部電極上形成的壓電薄膜和在上述壓電薄膜上形成的第1上部電極，其特徵在於進而具有從上述第1上部電極的中心看在上述壓電薄膜上的上述第1上部電極的外側形成的質量負荷比上述第1上部電極大的第2上部電極，上述壓電薄膜具有高頻區截止型的彌散特性。
2.按權利要求1所述的薄膜壓電元件，其特徵在於上述第1和第2上部電極一體地形成，上述第2上部電極的厚度大於上述第1上部電極。
3.按權利要求1所述的薄膜壓電元件，其特徵在於上述第2上部電極的電極厚度與密度之積大於上述第1上部電極的電極厚度與密度之積。
4.按權利要求1所述的薄膜壓電元件，其特徵在於將上述第2上部電極重疊在上述第1上部電極上的一部分上。
5.按權利要求1所述的薄膜壓電元件，其特徵在於將上述第1上部電極與上述第2上部電極連接。
6.按權利要求1所述的薄膜壓電元件，其特徵在於將寬度比上述第1上部電極窄的上述第2上部電極重疊在上述第1上部電極上。
7.按權利要求1所述的薄膜壓電元件，其特徵在於上述第1和第2上部電極分為2個電極。
8.按權利要求7所述的薄膜壓電元件，其特徵在於進而具有在上述分為2個電極的第1上部電極間的上述壓電薄膜上形成的第3上部電極。
9.按權利要求1所述的薄膜壓電元件，其特徵在於上述基板是半導體基板或電介質基板。
10.按權利要求1所述的薄膜壓電元件，其特徵在於上述壓電薄膜的泊松比小於0.34。
11.按權利要求1所述的薄膜壓電元件，其特徵在於上述壓電薄膜以鈦酸鉛(PbTiO3)為主要成分。
12.按權利要求1所述的薄膜壓電元件，其特徵在於在上述基板與上述下部電極之間插入電介質層。
13.一種薄膜壓電元件，具有基板、在上述基板的一面形成的下部電極、在上述下部電極上形成的壓電薄膜和在上述壓電薄膜上形成的第1上部電極，其特徵在於進而具有從上述上部電極的中心看在上述壓電薄膜上的上述上部電極的外側形成的電介質，上述壓電薄膜具有高頻區截止型的彌散特性。
14.按權利要求13所述的薄膜壓電元件，其特徵在於上述電介質在上述上部電極上的一部分上形成。
15.按權利要求13所述的薄膜壓電元件，其特徵在於上述電介質的膜厚與密度之積大於上述上部電極的電極厚度與密度之積。
16.按權利要求13所述的薄膜壓電元件，其特徵在於將上述電介質重疊在上述上部電極上的一部分上。
17.按權利要求13所述的薄膜壓電元件，其特徵在於將上述上部電極與上述電介質連接。
18.按權利要求13所述的薄膜壓電元件，其特徵在於將寬度比上述上部電極窄的上述電介質重疊在上述上部電極上。
19.按權利要求13所述的薄膜壓電元件，其特徵在於上述上部電極和上述電介質分為2個。
20.按權利要求19所述的薄膜壓電元件，其特徵在於進而具有在上述分為2個電極的第1上部電極間的上述壓電薄膜上形成的第2上部電極。
21.按權利要求13所述的薄膜壓電元件，其特徵在於上述基板是半導體基板或電介質基板。
22.如權利要求13所述的薄膜壓電元件，其特徵在於，上述壓電薄膜的泊松比小於0.34。
23.按權利要求13所述的薄膜壓電元件，其特徵在於上述壓電薄膜以鈦酸鉛(PbTiO3)為主要成分。
24.按權利要求13所述的薄膜壓電元件，其特徵在於在上述基板與上述下部電極之間插入電介質層。
全文摘要
在具有基板、在上述基板的一面形成的下部電極、在上述下部電極上形成的壓電薄膜和在上述壓電薄膜上形成的第1上部電極的薄膜壓電元件中,進而具有從上述第1上部電極的中心看在上述壓電薄膜上的上述第1上部電極的外側形成的質量負荷比上述第上部電極大的第2上部電極,上述壓電薄膜具有高頻區截止型的彌散特性。可以使質量負荷大的第2上部電極部壓電體的截止頻率比第1上部電極部壓電體的截止頻率低,在第1上部電極部側的區域可以將彈性波的能量封閉,從而可以實現良好的性能。
文檔編號H03H9/125GK1256809SQ98805170
公開日2000年6月14日 申請日期1998年8月4日 優先權日1998年1月16日
發明者三須幸一郎, 永塚勉, 和高修三 申請人:三菱電機株式會社