JP2002344280A

JP2002344280A - 圧電薄膜素子とその製造方法

Info

Publication number: JP2002344280A
Application number: JP2001148997A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamada; 朗山田; Chisako Maeda; 智佐子前田; Shoji Miyashita; 章志宮下; Koichiro Misu; 幸一郎三須; Ayumi Nozaki; 歩野崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2002-11-29

Abstract

(57)【要約】【課題】損失が小さく、素子特性のばらつきの少な
い、共振周波数の微調整が可能な圧電薄膜素子及びその
製造方法の提供する。【解決手段】圧電体膜に電界を加えて振動させる圧電
薄膜素子が、基板の裏面から基板を除去して圧電体膜の
下方の支持膜の裏面を露出させた凹部を含み、凹部内に
露出した支持膜の膜厚を減じて圧電薄膜素子の共振周波
数を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バルク波を用いた
圧電薄膜素子及びその製造方法に関し、特に、バルク波
の共振周波数の調整が可能な圧電薄膜素子及びその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電体の体積振動、特に厚み振動を用い
たバルク超音波型の圧電薄膜素子では、共振周波数が圧
電体を含む動作部の膜厚に依存する。このため、動作部
の膜厚を増減することにより、共振振動数の調整が行な
われている。

【０００３】図４は、特公平１−３１７２８号公報に記
載された圧電薄膜素子の一例であり、全体が２００で示
される圧電薄膜素子の断面図である。圧電薄膜素子２０
０は、シリコン基板２０１を含む。シリコン基板２０１
の表面上には、シリコン酸化膜２０２が設けられれてい
る。シリコン酸化膜２０２上には、アルミニウムからな
る下部電極２０３と上部電極２０４に挟まれ、ＺｎＯか
らなる圧電体薄膜２０５が設けられている。また、シリ
コン基板２０１の裏面には、圧電体薄膜２０５の下方の
領域に凹部２０６が設けられている。凹部２０６は、シ
リコン基板２０１を裏面からエッチングして、シリコン
酸化膜２０２の裏面が露出するように形成される。更
に、凹部２０６の表面を覆うように、例えばアルミニウ
ムからなる周波数調整用膜２０７が設けられている。

【０００４】圧電薄膜素子２００の共振周波数は、凹部
２０６の底部のシリコン基板２０１、下部電極２０３、
圧電体薄膜２０５、上部電極２０４及び周波数調整用膜
２０７（動作部）の膜厚に依存するが、共振周波数が所
望の値になるように、動作層の膜厚を最初から制御する
ことは困難であった。そこで、一旦、図４のような圧電
薄膜素子２００を作製して共振周波数を測定した後に、
周波数調整用膜２０７を裏面からエッチングして周波数
調整用膜２０７の膜厚を減じ、共振周波数の微調整を行
い、所望の共振周波数を有する圧電薄膜素子２００を得
ていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧電薄膜素子
２００では、下部電極２０３、上部電極２０４、圧電体
薄膜２０５が既に表面上に形成されたシリコン酸化膜２
０２の裏面に周波数調整用膜２０７が形成されるため、
周波数調整用膜２０７の成膜温度等の成膜条件が制限さ
れていた。このため、例えば振動損失のような機械的損
失等の小さい緻密な周波数調整用膜２０７の作製が困難
であり、素子特性の低下の原因となっていた。また、周
波数調整用膜２０７を凹部２０６内に形成するために、
膜厚の制御が困難であるとともに膜厚分布も均一ではな
く、素子間で素子特性のばらつきが生じていた。更に、
周波数調整用膜２０７の膜応力により動作部が変形し、
素子特性が変化することもあった。

【０００６】そこで、本発明は、損失が小さく、素子特
性のばらつきの少ない、共振周波数の微調整が可能な圧
電薄膜素子及びその製造方法の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電体膜に電
界を加えて振動させる圧電薄膜素子であって、表面と裏
面とを備えた基板と、該基板の表面上に設けられた支持
膜と、該支持膜上に順次設けられた下部電極、圧電体膜
及び上部電極と、該基板の裏面から該基板を除去し、該
圧電体膜の下方の該支持膜の裏面を露出させた凹部とを
含み、圧電薄膜素子の共振周波数が所望の周波数となる
ように、該凹部内に露出した該支持膜の膜厚が減じられ
たことを特徴とする圧電薄膜素子である。かかる圧電薄
膜素子では、損失を低く抑え、素子特性のばらつきを小
さくしながら、所望の共振周波数を有する圧電薄膜素子
を得ることができる。

【０００８】上記支持膜と上記下部電極との間に絶縁膜
が設けられても構わない。下部電極と基板との間に絶縁
性を担保するためである。

【０００９】上記支持膜は、上記基板を裏面からエッチ
ングして上記凹部を形成する場合の、エッチングストッ
パ膜であることが好ましい。

【００１０】上記支持膜が、上記凹部内に一部が露出し
た第１支持膜と、その上に積層された第２支持膜とを含
み、該第１支持膜が、シリコン窒化物、シリコン酸化
物、アルミニウム酸化物、シリコン炭化物、グラファイ
ト、炭素を基体とする材料、タンタル酸化物、マグネシ
ウム酸化物、及びホウ素が１０^１８／ｃｍ^３個以上ドー
プされたシリコンからなる群から選択される１の材料か
らなり、該第２支持膜が、シリコン窒化物、シリコン酸
化物、アルミニウム酸化物、シリコン炭化物、炭素を基
体とする材料、タンタル酸化物、マグネシウム酸化物か
らなる群から選択される１の材料からなることが好まし
い。

【００１１】上記基板が、シリコン基板及び砒化ガリウ
ムから選択される１の基板であり、上記支持膜が、シリ
コン窒化膜及びシリコン酸化膜から選択される１の膜で
あることが好ましい。

【００１２】上記絶縁膜は、シリコン酸化膜であること
が好ましい。

【００１３】上記圧電体膜が、チタン酸鉛、ジルコン酸
チタン酸鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ニオブ酸リ
チウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウムからな
る群から選択される１の材料からなることが好ましい。

【００１４】上記圧電体膜は、下記式（Ｉ）式（Ｉ）：（ＰｂＯ）_ａ・（ＣａＯ）_ｂ・（ＴｉＯ_２）
_ｃ・（Ｌａ_２Ｏ_３）_ｄ但し、０．３５≦ａ≦０．４９、０．００≦ｂ≦０．１２、０．４６≦ｃ≦０．４９、０．０２≦ｄ≦０．０９、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１で表される材料からなることが好ましい。かかる材料を
用いることにより、圧電薄膜素子の損失の低下を防止で
きる。また、良好な電気機械結合係数を得ることができ
る。

【００１５】上記下部電極が、イリジウムを主成分とす
る材料からなり、上記上部電極が、パラジウムを主成分
とする材料からなることが好ましい。高温酸化雰囲気に
おいても反応しにくく、また、圧電体膜との間の反応も
防止できるからである。

【００１６】また、本発明は、圧電体膜に電界を加えて
振動させる圧電薄膜素子の製造方法であって、表面と裏
面とを備えた基板を準備する工程と、該基板の表面上
に、支持膜を形成する工程と、該支持膜上に、下部電
極、圧電体膜及び上部電極を順次形成する工程と、該基
板の裏面から該基板を除去して凹部を形成し、該圧電体
膜の下方の該支持膜の裏面を露出させる凹部形成工程
と、圧電薄膜素子の共振周波数が所定の周波数となるよ
うに、該凹部内に露出した該支持膜をエッチングして該
支持膜の膜厚を減じる調整工程とを含むことを特徴とす
る圧電薄膜素子の製造方法でもある。かかる製造方法で
は、従来の方法に比べて、製造工程の増加を抑えながら
共振周波数の調整を行うことができる。従って、製造コ
ストを抑えながら、所望の共振周波数を有する圧電薄膜
素子の製造が可能となる。

【００１７】更に、支持膜の形成後に、該支持膜上に絶
縁膜を形成する工程を含むものであっても良い。

【００１８】上記凹部形成工程が、シリコン単結晶から
なる上記基板を、エッチング液を用いてウエットエッチ
ングする工程であり、上記調整工程が、シリコン酸化
膜、シリコン窒化膜及びホウ素がドープされたシリコン
膜から選択された１の膜からなる上記支持膜を、弗化物
系ガスと酸素ガスとを含むエッチングガスを用いてドラ
イエッチングする工程であることが好ましい。シリコン
基板を用いる場合には、かかる工程を用いることで、迅
速かつ高精度なエッチングを行うことができる。

【００１９】上記凹部形成工程が、砒化ガリウム単結晶
からなる上記基板を、エッチング液を用いてウエットエ
ッチングする工程であり、上記調整工程が、シリコン酸
化膜、シリコン窒化膜及びホウ素がドープされたシリコ
ン膜から選択された１の膜からなる上記支持膜を、弗化
物系ガスと酸素ガスとを含むエッチングガスを用いてド
ライエッチングする工程であることが好ましい。砒化ガ
リウム基板を用いる場合には、かかる工程を用いること
で、迅速かつ高精度なエッチングを行うことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１に、全体が１
００で示される、本実施の形態にかかる圧電薄膜素子を
示す。図１（ａ）は、圧電薄膜素子１００の上面図であ
り、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面
図である。

【００２１】図１（ａ）（ｂ）に示すように、圧電薄膜
素子１００は、面方位が＜１００＞である砒化ガリウム
の単結晶基板１を含む。基板１は、表面と裏面とを備
え、表面上に支持体２が設けられている。支持体２は、
基板の表面に設けられた窒化シリコン膜３と、窒化シリ
コン膜３上に設けられた酸化シリコン膜４とを含む。窒
化シリコン膜３の代わりに、シリコン酸化物、アルミニ
ウム酸化物、シリコン炭化物、グラファイトおよびダイ
ヤモンドやダイヤモンドライクカーボンなどの炭素を基
体とした材料、タンタル酸化物、マグネシウム酸化物な
どを主体とする材料を用いても良い。また、酸化シリコ
ン膜４の代わりに、シリコン窒化物、アルミニウム酸化
物、シリコン炭化物、ダイヤモンドやダイヤモンドライ
クカーボンなどの絶縁性の炭素を基体とした材料、タン
タル酸化物、マグネシウム酸化物を主体とした材料を用
いても良い。なお、支持体２は、単一の膜から形成して
も良いし、更に、各膜の熱膨張係数の差を緩和するため
に、熱膨張の差を緩和する調整層を設けても構わない。
但し、下部薄膜電極５に接する層は、絶縁性材料である
ことが必要である。

【００２２】酸化シリコン膜４上には、密着膜として膜
厚約５０ｎｍのチタン層、主電極膜として膜厚約２００
ｎｍのイリジウム層の２層構造からなる下部薄膜電極５
が設けられている。また、同じ２層構造からなる上部電
極用パッド部９と下部電極用パッド部１０が設けられて
いる。下部薄膜電極５の主電極膜は、圧電薄膜の形成は
高温酸化雰囲気において行われる場合が多く、このよう
な環境においても酸化等が生じにくい材質が好ましい。
例えば、白金、金、イリジウム、パラジウムなどの貴金
属が適しているが、中でも、上記イリジウムは、Ｐｂを
含有する圧電体材料と反応が起こりにくく好適である。

【００２３】下部薄膜電極５上には、チタン酸鉛からな
る圧電体薄膜６が設けられている。圧電体薄膜６は、そ
の組成が、例えば０．４５・ＰｂＯ−０．０３・ＣａＯ
−０．４８・ＴｉＯ_２−０．０４・Ｌａ_２Ｏ_３で表され
る圧電材料からなる。圧電体薄膜６の膜厚は約１μｍで
ある。圧電体薄膜６には、この他に、チタン酸鉛、ジル
コン酸チタン酸鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ニオ
ブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム
などを用いても良い。

【００２４】なお、圧電特性の内、高い電気機械結合係
数と低損失特性を併せ持つ材質としては、式（Ｉ）：（ＰｂＯ）_ａ・（ＣａＯ）_ｂ・（ＴｉＯ_２）
_ｃ・（Ｌａ_２Ｏ_３）_ｄ但し、０．３５≦ａ≦０．４９、０．００≦ｂ≦０．１２、０．４６≦ｃ≦０．４９、０．０２≦ｄ≦０．０９、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１で表される材料を用いることが好ましい。

【００２５】実質的にペロブスカイト型構造のチタン酸
鉛を主な構造とする式（Ｉ）の材料において、組成中の
Ｌａ_２Ｏ_３が０．０２よりも小さい場合には、薄膜中に
微細孔が発生して、密度が低下し、損失の増大を招く。
また、０．０９よりも大きい場合には、圧電性を失うキ
ューリー点が低温化し、室温付近での特性変化が大きく
なるため好ましくない。

【００２６】一方、ＣａＯが、０．１２よりも大きくな
ると、電気機械結合係数が低下し、好ましくない。ま
た、ＰｂＯあるいはＴｉＯ_２においても、上記組成範囲
を越えると、電気機械結合係数、損失値が劣化し好まし
くない。なお、かかる式（Ｉ）の材料については、実施
の形態４で更に詳しく述べる。

【００２７】圧電体薄膜６上には、密着層として膜厚が
約３０ｎｍのチタン層、主電気伝導層として膜厚が約７
０のパラジウム層の２層構造からなる上部薄膜電極７が
設けられている。上部薄膜電極７は、軽量で、電気伝導
性が高いことが好ましい。また、多くの場合、素子上に
は保護膜が形成されるため、ある程度の耐湿性があるこ
とが望ましい。例えば、アルミニウム、銀、パラジウム
などが適しており、中でも上記パラジウムは軽量、かつ
貴金属の一種であるため耐食性が高く好適である。

【００２８】上部薄膜電極７と上部電極用パッド部９と
の間は、金からなる架橋部１１で電気的に接続されてい
る。

【００２９】次に、圧電薄膜素子１００の製造方法につ
いて説明する。まず、面方位が＜１００＞である砒化ガ
リウムの単結晶基板１が準備される。基板１は、表面と
裏面とを備える。基板１に砒化ガリウムや、後述するシ
リコンを用いることは、工業的品質の安定性、入手の容
易さの点で、あるいは他のチップとの混載を行う場合に
熱膨張係数差を小さく抑えることができる点で好まし
い。

【００３０】次に、基板１の表面上に支持体２が形成さ
れる。支持体２は、窒化シリコン膜３と酸化シリコン膜
４とからなる。窒化シリコン膜３は、シランガスとアン
モニアガスとを原料に用い、成膜温度が約３００℃のプ
ラズマＣＶＤ法により形成される。窒化シリコン膜３の
膜厚は、約２００ｎｍである。かかる窒化シリコン膜３
は、後述する基板１のエッチング時のエッチングストッ
パ層として働く。支持体２中のエッチングストッパ層と
しては、フッ酸以外の酸性溶液に対しては酸化シリコン
が、その他の溶液に対しては窒化シリコンが、化学的耐
性、製造の容易さの観点から好ましい。

【００３１】また、酸化シリコン膜４は、シランガスと
酸素ガスとを原料に用い、成膜温度が約３００℃のプラ
ズマＣＶＤ法により形成される。酸化シリコン膜４の膜
厚は約２０００ｎｍである。

【００３２】支持体２中の絶縁膜には、酸化シリコン膜
４を用いるのが、低損失であり、十分な絶縁性を持って
おり、製造方法も容易でありことから好ましい。バルク
超音波型素子においては、例えば膜厚が数μｍのよう
な、極めて厚い絶縁膜が必要となるが、酸化シリコン膜
を絶縁膜に用いることにより容易に対応できる。

【００３３】次に、酸化シリコン膜４上に、密着膜とし
て膜厚が約５０ｎｍのチタン層、主電極膜として膜厚が
約２００ｎｍのイリジウム層の２層構造からなる下部電
極用薄膜が形成される。下部電極用薄膜は、ＲＦマグネ
トロンスパッタ法を用いて、成膜温度約６００℃で形成
される。

【００３４】下部電極用薄膜５上には、チタン酸鉛の圧
電体薄膜６が形成される。圧電体薄膜６は、アルゴンガ
スと酸素ガスとを、各流量を９０ｃｃｍと１０ｃｃｍと
して混合したガス中で、成膜圧力約１Ｐａ、基板温度約
６００℃の条件で、ＲＦマグネトロンスパッタ法により
形成される。ターゲットには、鉛２０ｍｏｌ％過剰のチ
タン酸鉛のターゲットが用いられる。

【００３５】圧電体薄膜６は、例えば０．４５・ＰｂＯ
−０．０３・ＣａＯ−０．４８・ＴｉＯ_２−０．０４・
Ｌａ_２Ｏ_３で表される組成を有し、膜厚は約１μｍであ
る。

【００３６】次に、圧電体薄膜６の上に、密着層として
膜厚が約３０ｎｍのチタン層、主電気伝導層として膜厚
が約７０ｎｍのパラジウム層の２層構造からなる上部電
極用薄膜が電子ビーム蒸着法により形成される。続い
て、リフトオフ法を用いて不要な部分の上部電極用薄膜
を除去し、１００μｍ×５０μｍの上部薄膜電極７が形
成される。

【００３７】次に、レジストマスクを用いて、約７０℃
の、塩酸と硝酸との混合溶液により不要部分の圧電帯薄
膜５がエッチング除去され、２００μｍ×１００μｍの
形状となる。更に、イオンミリング法を用いて、下部電
極用薄膜がパターンニングされ、下部薄膜電極８が形成
される。同時に、圧電帯薄膜５の外部の基板１上に、上
部電極用パッド部９と下部電極用パッド部１０とが形成
される。

【００３８】次に、上部薄膜電極７と上部薄膜電極用パ
ッド９との間に、レジスト層が形成された後、膜厚が約
２０μｍの金めっき層が形成される。続いて、レジスト
層が除去され、金めっき層からなる架橋部１１が形成さ
れる。上部薄膜電極７と上部薄膜電極用パッド９とは、
架橋部１１により電気的に接続される。以上の工程で、
上部構造の形成が完了する。

【００３９】次に、基板１を裏面から研磨し、約２００
μｍの厚さに薄板化する。続いて、所定の領域にレジス
トマスクを形成した後、硫酸溶液を用いて、基板１を裏
面からエッチングして、基板除去部１２が形成される。
基板１のエッチングは、窒化シリコン膜３がエッチング
ストッパ層となるため、窒化シリコン膜３の裏面が露出
した状態で停止する。これにより、圧電体薄膜素子１０
０の基本構成が形成される。

【００４０】基板除去部１２の形成工程では、多くの場
合、数１００μｍの厚さの基板１を除去する必要がある
ため、ウエットエッチングが適している。ドライエッチ
ングにより除去する場合には、工程に長時間を要し、ま
た、深い孔加工をする場合には、エッチング孔の横方向
への広がりを防ぐために、加工孔側壁に耐エッチング性
材料を適宜コーティングする必要がある。なお、ウエッ
トエッチングでは、エッチングストッパ層がエッチング
液に対して化学的耐性を持っているため、エッチングプ
ロセスをエッチングストッパ層で止めることが容易であ
る。これに対して、ドライエッチングではオーバーエッ
チングが発生しやすく、加工条件設定に注意が必要とな
る。

【００４１】かかる製造工程により得られた圧電体薄膜
素子１００は共振器である。ウエハ状態のまま（図示せ
ず）、オンウエハで素子特性を測定したところ、共振周
波数は、１．５４５ＧＨｚであった。このウエハの裏面
が被エッチング面となるように、イオンミリング装置に
ウエハをセットし、Ｃ_２Ｆ_６及び酸素ガスの流量をそれ
ぞれ約５０ｃｃｍ、約５０ｃｃｍに設定して、２００Ｗ
の条件でウエハを裏面からエッチングした。かかるエッ
チング工程では、基板除去部１２の内部に露出した窒化
シリコン膜３がエッチングされ、減肉部１３が形成され
る。３０秒間エッチングすることにより、６００Åの窒
化シリコン膜３をエッチングした。これにより、圧電体
薄膜素子１００の共振周波数は、１．５７０ＧＨｚへと
変化し、窒化シリコン膜３をエッチングして、減肉部１
３を形成することにより、圧電体薄膜素子１００の共振
周波数の微調整が可能であることが分かった。なお、支
持体２を酸化シリコン膜４のみから形成し、酸化シリコ
ン膜４をエッチング停止層として用いた後に、減肉部１
３を形成した場合も、同様に、共振周波数の調整が可能
であった。

【００４２】このような周波数調整のための支持体のエ
ッチング、即ち減肉部１３の形成は、エッチング深さと
して数１０Å後半〜数１００Å程度であり、エッチング
量の制御を高精度に行う必要がある。このため、かかる
工程には、イオンミリング、反応性イオンミリング等の
ドライエッチングを用いることが好ましい。

【００４３】本実施の形態のように、基板１として砒化
ガリウムを用いた場合、基板１のエッチングを硫酸を主
体とした酸溶液で行えば、砒化ガリウムの準異方性エッ
チングにより、基板１を高速にエッチングすることがで
きる。この場合、エッチングストッパ層としては、シリ
コン窒化物、シリコン酸化物、ボロンドープシリコンが
好ましい。また、減肉部１３の形成は、酸素を含んだＣ
Ｆ_４、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＨＦ_３などのフッ化物系ガスを用い
て、エッチングストッパ層を反応性イオンミリングすれ
ば、エッチング速度を大きくすることができる。

【００４４】一方、実施の形態２で後述するように、基
板として単結晶シリコンを用いた場合、基板のエッチン
グをアンモニア水、水酸化カリウムなどの無機アルカリ
水溶液、ジエチルアミン、ジメチルエミン、水酸化テト
ラメチルアンモニウムなどの有機アルカリなどの水溶液
を主体としたアルカリ溶液で行えば、シリコン単結晶の
結晶異方性を利用して、精度良く、高速にエッチングを
行うことができる。この場合、エッチングストッパ層と
しては、シリコン窒化物、シリコン酸化物、ボロンドー
プシリコンが好ましい。また、減肉部の形成は、酸素を
混合したＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＨＦ_３などのフッ化炭素
系ガスを用いて、エッチングストッパ層を反応性イオン
ミリングすれば、エッチング速度を大きくすることがで
きる。

【００４５】このように、本実施の形態にかかる圧電体
薄膜素子１００では、裏面からのエッチング工程により
共振周波数の調整ができるため、製造工程の増加を最小
限に抑えて、製造コストを抑制することができる。ま
た、共振周波数の調整時にエッチングする支持体２は、
基板１の表面に製造プロセスの初期段階に形成されるた
め、損失の小さな良質の膜として形成することができ、
圧電体薄膜素子１００の損失を小さくすることができ
る。

【００４６】実施の形態２．図２に、全体が１２０で示
される、本実施の形態にかかる圧電薄膜素子を示す。図
２（ａ）は、圧電薄膜素子１２０の上面図であり、図２
（ｂ）は、図２（ａ）のII−II線に沿った断面図であ
る。

【００４７】図２（ａ）（ｂ）に示すように、圧電薄膜
素子１２０の基板２１には、面方位が＜１００＞である
シリコンの単結晶基板が用いられている。他の構造は、
上述の圧電薄膜素子１００と同じである。

【００４８】即ち、基板２１の表面上に、窒化シリコン
膜２３と酸化シリコン膜２４とからなる支持体２２が設
けられている。酸化シリコン膜２４上には、チタン層と
イリジウム層の２層構造からなる下部薄膜電極２５、上
部電極用パッド部２９及び下部電極用パッド部３０が設
けられている。下部薄膜電極２５上には、チタン酸鉛か
らなる圧電体薄膜２６が設けられている。圧電体薄膜２
６は、その組成が、例えば０．４５・ＰｂＯ−０．０３
・ＣａＯ−０．４８・ＴｉＯ_２−０．０４・Ｌａ_２Ｏ_３
で表される圧電材料からなる。圧電体薄膜２６上には、
チタン層、パラジウム層の２層構造からなる上部薄膜電
極２７が設けられている。上部薄膜電極２７と上部電極
用パッド部２９との間は、架橋部３１で電気的に接続さ
れている。

【００４９】次に、圧電薄膜素子１２０の製造方法につ
いて説明する。上部構造の製造工程は、上述の圧電薄膜
素子１００の製造方法と同じである。上部構造を形成し
た後に、基板２１が裏面から研磨され、膜厚が約２００
μｍになるまで薄板化される。続いて、レジストマスク
が形成された後、約７０℃の１０ｗｔ％水酸化カリウム
水溶液を用いて、基板２１が裏面からエッチングされ、
基板除去部３２が形成される。基板２１のエッチングで
は、窒化シリコン膜２３がエッチングストッパ層とな
る。これにより、圧電体薄膜素子１２０の基本構成が得
られる。ウエハ状態のままで、圧電体薄膜素子１２０の
素子特性を測定したところ、共振周波数は１．５２５Ｇ
Ｈｚであった。

【００５０】次に、このウエハの裏面が被エッチング面
となるように、イオンミリング装置にウエハをセット
し、ＣＨＦ_３及び酸素ガスの流量をそれぞれ約５０ｃｃ
ｍ、約５０ｃｃｍに設定して、２００Ｗの条件でウエハ
を裏面からエッチングした。かかるエッチング工程で
は、基板除去部３２の内部に露出した窒化シリコン膜３
３がエッチングされ、減肉部３３が形成される。１５秒
間エッチングすることにより、３００Åの窒化シリコン
膜２３をエッチングした。これにより、圧電体薄膜素子
１２０の共振周波数は、１．５４０ＧＨｚへと変化し、
窒化シリコン膜２３をエッチングして、減肉部３３を形
成することにより、圧電体薄膜素子１２０の共振周波数
の調整が可能であることが分かった。なお、支持体２２
を酸化シリコン膜２４のみから形成しても構わない。

【００５１】実施の形態３．図３に、全体が１４０で示
される、本実施の形態にかかる圧電薄膜素子を示す。図
３（ａ）は、圧電薄膜素子１４０の上面図であり、図３
（ｂ）は、図３（ａ）のIII−III線に沿った断面図であ
る。

【００５２】図３（ａ）（ｂ）に示すように、圧電薄膜
素子１４０の基板４１には、面方位が＜１００＞である
シリコンの単結晶基板が用いられている。基板４１の表
面側には、約１０^１８個／ｃｍ^３の濃度のボロンを含む
ボロン含有シリコン膜４３が設けられ、これがエッチン
グストッパ層となる。他の構造は、上述の圧電薄膜素子
１２０と同じである。

【００５３】即ち、基板４１の表面側にボロン含有シリ
コン膜４３が形成され、その上に酸化シリコン膜４４が
設けられている。ボロン含有シリコン膜４３と酸化シリ
コン膜４４とが支持体４２となる。酸化シリコン膜４４
上には、チタン層とイリジウム層の２層構造からなる下
部薄膜電極４５、上部電極用パッド部４９及び下部電極
用パッド部５０が設けられている。下部薄膜電極４５上
には、チタン酸鉛からなる圧電体薄膜４６が設けられて
いる。圧電体薄膜４６上には、チタン層、パラジウム層
の２層構造からなる上部薄膜電極４７が設けられてい
る。上部薄膜電極４７と上部電極用パッド部４９との間
は、架橋部５１で電気的に接続されている。

【００５４】次に、圧電薄膜素子１４０の製造方法につ
いて説明する。まず、面方位が＜１００＞であるシリコ
ンの単結晶基板４１が準備される。基板４１は、表面と
裏面とを備える。基板４１の厚みは、例えば約３００μ
ｍである。続いて、基板４１の表面側に、例えば、イオ
ン注入法を用いてボロンが注入され、ボロン含有シリコ
ン膜４３が形成される。ボロンの濃度は、約１０^１８個
／ｃｍ^３である。

【００５５】次に、上述の圧電薄膜素子１２０と同様の
製造方法を用いて上部構造が形成される。続いて、基板
４１が裏面から研磨され、膜厚が約２００μｍになるま
で薄板化される。続いて、レジストマスクが形成された
後、約７０℃の１０ｗｔ％水酸化カリウム水溶液を用い
て、基板４１が裏面からエッチングされ、基板除去部５
２が形成される。基板４１のエッチングでは、ボロンを
注入したボロン含有シリコン膜４３でエッチング停止す
る。これにより、圧電体薄膜素子１４０の基本構成が得
られる。ウエハ状態のままで、圧電体薄膜素子１４０の
素子特性を測定したところ、共振周波数は１．５１３Ｇ
Ｈｚであった。

【００５６】次に、このウエハの裏面が被エッチング面
となるように、イオンミリング装置にウエハをセット
し、ＣＨＦ_３及び酸素ガスの流量をそれぞれ約５０ｃｃ
ｍ、約５０ｃｃｍに設定して、２００Ｗの条件でウエハ
を裏面からエッチングした。かかるエッチング工程で
は、基板除去部５２の内部に露出したボロン含有シリコ
ン膜４３がエッチングされ、減肉部５３が形成される。
４０秒間エッチングすることにより、３００Åのボロン
含有シリコン膜４３がエッチングされた。これにより、
圧電体薄膜素子１２０の共振周波数は、１．５３２ＧＨ
ｚへと変化し、ボロン含有シリコン膜４３をエッチング
して、減肉部５３を形成することにより、圧電体薄膜素
子１４０の共振周波数の調整が可能であることが分かっ
た。

【００５７】実施の形態４．本実施の形態では、実施の
形態２に示した圧電体薄膜素子１２０において、圧電体
薄膜２６の組成のみを変えた。圧電体薄膜の組成は、
（ＰｂＯ）_ａ・（ＣａＯ）_ｂ・（ＴｉＯ_２）_ｃ・（Ｌａ
_２Ｏ_３）_ｄからなる。

【００５８】圧電体薄膜２６は、ＲＦマグネトロンスパ
ッタ法により、成膜温度６００〜６４０℃で形成した。
スパッタターゲットには、添加物（カルシウム、ランタ
ン）を含む種々の組成のチタン酸鉛が用いられた。スパ
ッタガスには、アルゴンガスと酸素ガスとを、それぞれ
の流量を９０ｃｃｍ、１０ｃｃｍとした混合ガスが用い
られた。スパッタ条件は、成膜圧力が約１Ｐａ、基板温
度が約６００℃である。形成されたチタン酸鉛の膜厚
は、約１μｍであった。

【００５９】種々の組成の圧電体薄膜２６を有する圧電
体薄膜素子は、ウエハ状態のまま、オンウエハで、素子
特性が測定された。測定された圧電体薄膜素子の共振周
波数は、１．５１０〜１．５３２ＧＨｚの範囲内であっ
た。これらの共振挙動を、等価回路によりフィッティン
グして、圧電体薄膜素子の素子パラメータを求め、各組
成の圧電体薄膜２６の電気機械結合係数（ｋ２）、品質
係数（Ｑ）を求めた。また、圧電体薄膜素子の形成に先
立ち、走査型電子顕微鏡を用いて圧電体薄膜の破断面の
組織観察を行い、圧電体薄膜の密度（膜中の細孔の有
無）を評価した。圧電体薄膜の組成については、同じ条
件で形成した膜を用いて、ＩＣＰ法により求めた。ま
た、細孔密度は、破断面の組織の画像処理により、存在
面積比率の算出を行って求めた。

【００６０】かかる結果を表１に示す。表１において、
圧電体薄膜の組成は、（ＰｂＯ）_ａ・（ＣａＯ）_ｂ・
（ＴｉＯ _２）_ｃ・（Ｌａ_２Ｏ_３）_ｄで表され、ａ、ｂ、
ｃ、ｄは、各酸化物の組成である。特性ｋ２は、電気機
械結合係数であり、特性Ｑは、品質係数（損失の逆数）
である。細孔の比率は、圧電体薄膜の破断面の組織観察
から算出したものである。

【００６１】

【表１】

【００６２】表１から明らかなように、ランタン（組成
ｄ）およびカルシウム（組成ｂ）を添加した圧電体薄膜
（チタン酸鉛膜）は、特定の組成において細孔が認めら
れない緻密な組織を有する（試料Ｎｏ．３−５、７−１
０）。また、ランタン、カルシウムを添加しないチタン
酸鉛膜（試料Ｎｏ．１）よりも、優れた電気機械結合係
数（ｋ２）と、大きな品質係数Ｑ値を示し、優れた特性
を有することがわかる

【００６３】なお、素子特性の比較は、同一素子構造に
より行ったものである。即ち、圧電体薄膜素子の特性に
対しては、圧電体薄膜の組成等以外にも、支持体等の素
子構造が影響する。従って、本実施の形態では、同じ素
子構造の圧電体薄膜素子を形成して、圧電体薄膜の材料
の優劣を検討した。また、備考欄に示したように、試料
Ｎｏ．１、２、６、１１、１２の圧電体薄膜素子は比較
例である。

【００６４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかる圧電体薄膜素子では、損失が小さく、素子特性
のばらつきの少ない、共振周波数の微調整が可能な圧電
体薄膜素子を提供することができる。

【００６５】また、このような圧電体薄膜素子を低コス
トで製造できる製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１にかかる圧電体薄膜素
子である。

【図２】本発明の実施の形態２にかかる圧電体薄膜素
子である。

【図３】本発明の実施の形態３にかかる圧電体薄膜素
子である。

【図４】従来構造の圧電体薄膜素子である。

【符号の説明】

１基板、２支持体、３窒化シリコン膜、４酸化
シリコン膜、５下部薄膜電極、６圧電体薄膜、７
上部薄膜電極、９上部電極用パッド部、１０下部電極
用パッド部、１１架橋部、１２、基板除去部、１３
減肉部、１００圧電体薄膜素子。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０３Ｈ 9/02 Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｚ (72)発明者宮下章志東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者三須幸一郎東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者野崎歩東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 5J108 BB04 CC04 CC11 EE03 FF01 FF11 GG03 KK05 MM04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体膜に電界を加えて振動させる圧電
薄膜素子であって、表面と裏面とを備えた基板と、該基板の表面上に設けられた支持膜と、該支持膜上に順次設けられた下部電極、圧電体膜及び上
部電極と、該基板の裏面から該基板を除去し、該圧電体膜の下方の
該支持膜の裏面を露出させた凹部とを含み、圧電薄膜素子の共振周波数が所望の周波数となるよう
に、該凹部内に露出した該支持膜の膜厚が減じられたこ
とを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項２】上記支持膜と上記下部電極との間に絶縁
膜が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の圧電
薄膜素子。
【請求項３】上記支持膜が、上記基板を裏面からエッ
チングして上記凹部を形成する場合の、エッチングスト
ッパ膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の
圧電薄膜素子。
【請求項４】上記支持膜が、上記凹部内に一部が露出
した第１支持膜と、その上に積層された第２支持膜とを
含み、該第１支持膜が、シリコン窒化物、シリコン酸化物、ア
ルミニウム酸化物、シリコン炭化物、グラファイト、炭
素を基体とする材料、タンタル酸化物、マグネシウム酸
化物、及びホウ素が１０^１８／ｃｍ^３個以上ドープされ
たシリコンからなる群から選択される１の材料からな
り、該第２支持膜が、シリコン窒化物、シリコン酸化物、ア
ルミニウム酸化物、シリコン炭化物、炭素を基体とする
材料、タンタル酸化物、マグネシウム酸化物からなる群
から選択される１の材料からなることを特徴とする請求
項１に記載の圧電薄膜素子。
【請求項５】上記基板が、シリコン基板及び砒化ガリ
ウムから選択される１の基板であり、上記支持膜が、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜から
選択される１の膜であることを特徴とする請求項１に記
載の圧電薄膜素子。
【請求項６】上記絶縁膜が、シリコン酸化膜であるこ
とを特徴とする請求項２に記載の圧電薄膜素子。
【請求項７】上記圧電体膜が、チタン酸鉛、ジルコン
酸チタン酸鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ニオブ酸
リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウムから
なる群から選択される１の材料からなることを特徴とす
る請求項１に記載の圧電薄膜素子。
【請求項８】上記圧電体膜が、下記式（Ｉ）式（Ｉ）：（ＰｂＯ）_ａ・（ＣａＯ）_ｂ・（ＴｉＯ_２）
_ｃ・（Ｌａ_２Ｏ_３）_ｄ但し、０．３５≦ａ≦０．４９、０．００≦ｂ≦０．１２、０．４６≦ｃ≦０．４９、０．０２≦ｄ≦０．０９、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１で表される材料からなることを特徴とする請求項１に記
載の圧電薄膜素子。
【請求項９】上記下部電極が、イリジウムを主成分と
する材料からなり、上記上部電極が、パラジウムを主成
分とする材料からなることを特徴とする請求項１に記載
の圧電薄膜素子。
【請求項１０】圧電体膜に電界を加えて振動させる圧
電薄膜素子の製造方法であって、表面と裏面とを備えた基板を準備する工程と、該基板の表面上に、支持膜を形成する工程と、該支持膜上に、下部電極、圧電体膜及び上部電極を順次
形成する工程と、該基板の裏面から該基板を除去して凹部を形成し、該圧
電体膜の下方の該支持膜の裏面を露出させる凹部形成工
程と、圧電薄膜素子の共振周波数が所定の周波数となるよう
に、該凹部内に露出した該支持膜をエッチングして該支
持膜の膜厚を減じる調整工程とを含むことを特徴とする
圧電薄膜素子の製造方法。
【請求項１１】更に、支持膜の形成後に、該支持膜上
に絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項
１０に記載の製造方法。
【請求項１２】上記凹部形成工程が、シリコン単結晶
からなる上記基板を、エッチング液を用いてウエットエ
ッチングする工程であり、上記調整工程が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及び
ホウ素がドープされたシリコン膜から選択された１の膜
からなる上記支持膜を、弗化物系ガスと酸素ガスとを含
むエッチングガスを用いてドライエッチングする工程で
あることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の製造
方法。
【請求項１３】上記凹部形成工程が、砒化ガリウム単
結晶からなる上記基板を、エッチング液を用いてウエッ
トエッチングする工程であり、上記調整工程が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及び
ホウ素がドープされたシリコン膜から選択された１の膜
からなる上記支持膜を、弗化物系ガスと酸素ガスとを含
むエッチングガスを用いてドライエッチングする工程で
あることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の製造
方法。