JP2003273694A - 電子部品、その製造方法、それを用いたフィルタおよびデュプレクサならびに電子通信機器 - Google Patents
電子部品、その製造方法、それを用いたフィルタおよびデュプレクサならびに電子通信機器Info
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Abstract
造できるようにする。 【解決手段】基板10上に下部電極14とこれと導通が
されているダミー電極24とを設けるプロセスと、ダミ
ー電極24を通じて下部電極14に所要のバイアス電位
を印加した状態で該電極10上に圧電薄膜16を設ける
プロセスとを有し、下部電極14の電位を安定させて、
その電極上に圧電薄膜16を形成することにより圧電薄
膜16の表面粗さを小さくし、共振子の電気機械結合係
数と品質係数を共に大きくした圧電性の良好な電子部品
を製造する。
Description
どの圧電薄膜を搭載した電子部品、その製造方法、それ
を用いたフィルタおよびデュプレクサならびに電子通信
機器に関する。
振子の共振周波数は、圧電基板の厚さに反比例し、超高
周波領域では、圧電基板を極めて薄く加工する必要があ
る。しかし、圧電基板自体の厚さを薄くするのは、その
機械的強度や取り扱い上の制限などから、基本モードで
は数100MHzが実用上の高周波限界とされてきた。
このような問題を解決するため、従来から以下に述べる
ような高周波特性を伸ばせるようにした圧電薄膜共振子
が提案されている。
微細加工法によりSi基板90を部分的にエッチングす
ることにより、Si基板90の一部に数μm以下の厚さ
の薄膜支持部91を形成し、その上に一対の励振用電極
92、93を有するZnO圧電薄膜94を設けたもので
ある(例えば、特許文献1参照。)。図10に示す圧電
薄膜共振子の場合では、薄膜支持部91は微細加工技術
を用いて薄くすることができ、また、ZnO圧電薄膜9
4もスパッタリングなどにより薄く形成することができ
るから、数100MHzないし数1000MHzまで高
周波特性を伸ばすことができる。しかし、図10に示す
圧電薄膜共振子の場合、ZnO圧電薄膜94とSi基板
90のヤング率の温度係数が共に負の符号であるため
に、共振周波数の温度特性が低下する。
対する問題に対処した圧電薄膜共振子を図11に示す。
この圧電薄膜共振子においては、Si基板100の表面
に熱酸化などでSiO2薄膜を形成し、Si基板100
を部分的にエッチングすることによりSiO2薄膜で薄
膜支持部101を形成し、その上に励振用電極102、
103を両面に有するZnO圧電薄膜104を設けてい
る。図11に示す圧電薄膜共振子の場合、薄膜支持部1
01のヤング率の温度係数は、ZnO圧電薄膜104の
それと異なり、正の温度係数を有するため、ZnO圧電
薄膜104の膜厚とSiO2薄膜からなる薄膜支持部1
01の膜厚との比率をある適当な値に設定することによ
り、共振周波数の温度特性を安定にすることができる
(例えば、特許文献2参照。)。しかし、図11に示す
圧電薄膜共振子の場合、基本厚み縦振動の振動節点に関
して、ZnO圧電薄膜104が対称の位置からずれてし
まうために、3次や5次といった奇数次の高調波の他に
偶数次の高調波がスプリアスとなる。
に対処する圧電薄膜共振子を図12に示す。図12の圧
電薄膜共振子においては、基板200上に電極201、
202間のZnO圧電薄膜203に対して上下対称にS
iO2薄膜204、205を形成することにより、Zn
O圧電薄膜203の中央部分に振動節点が位置するよう
に形成して3次や5次といった奇数次の高調波の他に偶
数次の高調波がスプリアスとならないようにしている
(例えば、特許文献3参照。)。
頁、図3)
図)
図)
し図12の圧電薄膜共振子のいずれもは、図13で示す
ように、Si基板301(図10ないし図12のSi基
板90、100、200)上の薄膜支持部302(図1
0ないし図12の薄膜支持部91、101、204)上
に下部電極303(図10ないし図12の下部電極9
2、102、201)がパターニングされ、そのパター
ニングされている下部電極303上にZnO圧電薄膜
(図10ないし図12の圧電薄膜94、104、20
3)を形成している。そのため、スパッタリングなどで
ZnO圧電薄膜を成膜する場合、下部電極303が、孤
立パターンであって電位的にフローティング状態となっ
ていて、電位的に不安定となっている。そのため、電位
的に不安定な下部電極303上に形成したZnO圧電薄
膜の表面粗さ(Ra)が10nmよりも大きくなり、こ
の膜を使って作製した共振子の電気機械結合係数が1.
5%となり、その圧電性が粗悪であるという課題があ
る。
解決するためになされたものであって、圧電性の良好な
圧電薄膜を有する圧電薄膜共振子などの電子部品を提供
することを目的としている。
を設けるプロセスと、前記電極に所要のバイアス電位を
印加した状態で該電極上に圧電薄膜を設けるプロセスと
を有することを特徴とする。本発明によれば、圧電薄膜
の形成時において、電極が、電位的にフローティング状
態とならず安定している。そのため、電位的に安定な電
極上に形成した圧電薄膜の表面粗さを小さくし、また、
基板法線に対するZnO圧電薄膜のC軸の傾きを小さく
する。このため、圧電性が良好となり、共振子の電気機
械結合係数及び品質係数を共に大きくすることができ
る。
実施の形態に基づいて説明する。本実施形態では、圧電
薄膜を搭載したすべての電子部品例えばSAWフィル
タ、デュプレクサなどの電子部品に適用することができ
るが、その電子部品の一例として圧電薄膜共振子に適用
して説明することにする。この圧電薄膜共振子は、例え
ば厚み縦振動のn次モードを利用しているが、それ以外
のモード例えば厚みすべり振動のn次モードを利用して
いるものにも適用できる。図1(a)(b)に、本発明
の実施形態に係る圧電薄膜共振子の断面を示す。図1
(a)は、側面断面、図1(b)は平面を示す。図1
(a)は、図1(b)の(1)−(1)線に沿う断面図
である。図例の圧電薄膜共振子は、基板10、薄膜支持
部12、下部電極14、圧電薄膜16および上部電極1
8から構成されている。基板10は、空洞20を有して
いる。基板10は、この空洞20により開口部または凹
部を有するものとなる。この基板10に対してその空洞
20により形成された表面側開口を覆う状態で絶縁薄膜
としての薄膜支持部12が設けられている。圧電薄膜1
6は、両側から下部電極14と上部電極18とで挟み込
まれた積層体の形態で薄膜支持部12上に設けられてい
る。下部電極14と上部電極18それぞれの一部は、圧
電薄膜16を介して上下に対向されて励振用電極部分と
されている。このような構造を有する圧電薄膜共振子の
材料として、基板10はSiで構成されている。薄膜支
持部は、SiO2で、また、圧電薄膜16は、ZnOを
主成分として構成されている。SiO2とZnOとで
は、弾性定数の温度係数の符号が異なることにより、そ
れらの膜厚比率を適宜に設定することにより基本モード
における共振周波数の温度係数を小さくし、共振周波数
の温度特性を安定にすることができる。この場合、Si
O2の温度係数は、約+100ppm/℃、ZnOのそ
れは、約−70ppm/℃である。したがって、薄膜支
持部12と圧電薄膜16の材料は、このような温度係数
を有するものであれば、SiO2やZnOに限定される
ものではない。例えば、圧電薄膜16としてはAlNや
その他を主成分とするものでもよい。なお、基板10の
材料はSiに限定されるものではなく、水晶やガラスや
その他でもよい。また、下部電極14と上部電極18に
ついても、導電性を有する金属であれば何でもよいが、
好ましくはAl、Au、Pt、Nb、Mo、Ta、W、
Ni、Cu、Agなどがある。
下部電極14を電位的にフローティング状態とせず、所
要のバイアス電位が印加されている状態で成膜されてい
ることにより、下部電極14を電位的にフローティング
状態として成膜された従来の圧電薄膜16よりも、優れ
た電気機械結合係数(k2)と品質係数(Q)とを有し
ていることに特徴を有する。
その1つの具体例として、基板10はSiを材料とし、
それに対する空洞20は所要のエッチング技術例えば異
方性エッチングや反応性イオンエッチングなどにより形
成されている。また、薄膜支持部はSiO2で、圧電薄
膜16は、ZnOで、それぞれ構成されている。下部電
極14と上部電極18は所要の成膜技術例えばリフトオ
フ蒸着法等で構成されている。そして、圧電薄膜16
は、下部電極14を+50V〜300V程度のバイアス
電位を印加した状態で所要の成膜技術例えば反応性スパ
ッタリングにより成膜されている。なお、本発明は、こ
れら成膜技術に何ら限定されるものではなく、下部電極
14にバイアスを印加した状態で圧電薄膜を成膜する際
に、成膜する粒子がイオン化する方法であれば良い。上
記のような成膜方法としては、反応性スパッタリング以
外に、プラズマCVD法、RFスパッタリング、DCス
パッタリング、ECRスパッタリングなどの成膜方法が
ある。
薄膜共振子のインピーダンス特性および位相特性を、図
2(a)で示すとともに、従来の圧電薄膜共振子のイン
ピーダンス特性および位相特性を図2(b)に示し、両
者を比較する。なお、図2(a)および図2(b)にお
いて、横軸は、周波数f(Hz)、左縦軸はインピーダ
ンス|Z|(Ω)、右縦軸は位相Z(°)を示し、図中
のAは、インピーダンス特性線、Bは、位相特性線を示
す。また、図2(a)のインピーダンス特性および位相
特性は、電極に+90Vのバイアス電位を印加した状態
で圧電薄膜16を成膜したものであり、図2(b)のそ
れは、バイアス電位を印加せずに成膜したものである。
図2(a)と図2(b)とを比較して明らかであるよう
に、本実施形態の圧電薄膜は、表面粗さ(Ra)5.7
nm、基板法線に対するC軸の傾き0.2°以下を有
し、この圧電薄膜を使った共振子は、最大位相角86
°、共振抵抗70Ω、品質係数1300、主振動の電気
機械係数2.6%であるのに対して、従来の圧電薄膜
は、表面粗さ(Ra)10.3nm、基板法線に対する
C軸の傾き1°以上であり、この圧電薄膜を使った共振
子は、最大位相角73°、共振抵抗210Ω、品質係数
800、主振動の電気機械結合係数1.5%である。
5.7nmの例を挙げているが、これに限定されるもの
ではなく、本発明者の実験によると、表面粗さ(Ra)
10.3nmでは特性が良くなかったから、表面粗さ
(Ra)が10nm以下であると良好な特性が得られ
た。
振子は、従来のそれよりも共振特性が優れている。な
お、図2(a)は一例であり、下部電極14の正のバイ
アス電位+50V〜+300Vの範囲で印加することに
より圧電共振子の電気機械結合係数2.6〜9%で、か
つ、品質係数200〜2000の範囲で得られ、下部電
極14に対するどのバイアス電位の印加においても、従
来の圧電薄膜共振子よりも優れた共振特性となってい
る。
が良好になってくる。この場合、そのバイアス電位が+
300Vを超えると、圧電薄膜16が引張性応力とな
り、膜破裂が発生するおそれがある。また、バイアス電
位が、+50V未満では不十分であり、表面粗さ(R
a)が9〜10nmの圧電薄膜が形成された。一方、バ
イアス電位が、+90V〜+200Vでは、安定して優
れた共振特性が得られた。したがって、共振特性および
膜破裂という両面から正のバイアス電位は前記したよう
に+50V〜+300Vの範囲で印加することが好まし
く、より好ましくは+90V〜+200Vの範囲であ
る。
圧電薄膜共振子の製造方法を説明する。
ロセスを説明する。図3(a)は、側面断面、図3
(b)は平面を示す。図3(a)は図3(b)の(3)
−(3)線に沿う断面図である。
方形で所要の厚みのある板状とされたSi(シリコン)
からなる基板10を用意する。この基板10の表面を熱
酸化する。これによって、SiO2からなる絶縁薄膜で
ある薄膜支持部12を形成する。この場合、薄膜支持部
12は、基板10の表面に対してスパッタリングCVD
法で堆積して形成してもよい。そして、基板10に対し
てその裏面側から即面視形状が台形の空洞20を形成す
る。20aは、基板10の表面側における空洞20の外
形線を示す。このような空洞20の形成法は、公知の手
法で形成することができる。本発明はその公知の手法の
いずれにも限定されない。エッチング技術で空洞20を
形成する場合、ウェットエッチング、ドライエッチング
のいずれでも可能である。ドライエッチングには、プラ
ズマ、イオンビーム、イオンミリングがあるが、プラズ
マエッチングとスパッタリング効果を併用した方式(反
応性スパッタエッチング、反応性イオンエッチング)は
異方性エッチングが可能となる。また、エッチングモー
ドとしては、異方性エッチングが好ましい。
着法などで、Al,Au,Pt,Nb,Mo,Ta,
W,Ni,Cu,Agなどを材料とする電極22を形成
する。この電極22は、下部電極14とその周辺のダミ
ー電極24とで構成されている。下部電極14は、薄膜
支持部12の左端中央部位にある平面視ほぼ正方形の入
出力電極14aとこの入出力電極14aから図中右方向
に向けて平面視ほぼ細長に引き出された引き出し電極1
4bとよりなり、この引き出し電極14bの右端部分
は、下部励振用電極部分を構成する。ダミー電極24
は、下部電極14の全周囲を取り囲むようにして薄膜支
持部12の全周縁に設けられているとともに、下部電極
14における入出力電極14aに導通接続されている。
ロセスを説明する。図4(a)は、側面断面、図4
(b)は平面を示す。図4(a)は、図4(b)の
(4)−(4)線に沿う断面図である。
リングにより、ZnOを主成分とする圧電薄膜16を成
膜する。この圧電薄膜16の成膜時において、ダミー電
極24に対して不図示の電位印加手段により+90Vの
バイアス電位を印加しておく。この正のバイアス電位の
印加により下部電極14は電位的にフローティング状態
にならなくて済み、圧電薄膜16は、基板10に対して
良好なC軸配向となり、かつ、圧電極性が+極性または
−極性に整列された状態となり、従来のように+極性と
−極性とが混在するようなことがなくなる。
マCVD法、RFスパッタリング、DCスパッタリン
グ、ECRスパッタリングなどの成膜する粒子がイオン
化する成膜方法では、成膜時にバイアスを印加すること
は必須ではないが、バイアスを印加しながら成膜すると
配向性の良い膜が得られることは知られていた。しかし
ながら、圧電共振子の圧電薄膜16の成膜において、バ
イアスを印加しながら成膜するために、基板10にバイ
アスを印加しても、下部電極14は電位的にフローティ
ング状態となり、バイアスを印加することが出来ない。
つまり、圧電共振子として重要な下部電極上の圧電薄膜
を、バイアスを印加しながら成膜することができない。
そこで、ダミー電極24を形成すると、下部電極14に
もバイアスを印加することが出来、配向性の良い圧電薄
膜16を形成することが出来る。
その表面粗さが表面粗さ(Ra)で、従来の10nmよ
り粗いものに比べて5.7nmとなって良くなる。ま
た、その圧電性も従来の電気機械結合係数:1.5%、
品質係数:800と比較して、電気機械結合係数:2.
6%、品質係数1300に向上する。
ロセスを説明する。図5(a)は、側面断面、図5
(b)は平面を示す。図5(a)は、図5(b)の
(5)−(5)線に沿う断面図である。
ッチング、ウェットエッチングにより、圧電薄膜16の
外周縁とダミー電極24とを除去するとともに、下部電
極14における入出力電極14aを露出させる。
ロセスを説明する。図6(a)は、側面断面、図6
(b)は平面を示す。図6(a)は、図6(b)の
(6)−(6)線に沿う断面図である。
法などで上部電極18を形成する。この上部電極18
は、圧電薄膜16の右端中央部位にある平面視ほぼ正方
形の入出力電極18aとこの入出力電極18aから図中
左方向に向けて平面視ほぼ細長に引き出された引き出し
電極18bよりなり、この引き出し電極18bの左端部
分は、上部励振用電極部分を構成する。
態の圧電薄膜共振子を製造することができる。
図7(a)で示すようなπ型ラダーフィルタ、図7
(b)で示すようなT型フィルタ、図7(c)で示すよ
うなL型フィルタに組み込んで使用することができる。
このようなフィルタの場合、安定したフィルタ特性のも
のとなる。なお、このような各フィルタは、上述した圧
電薄膜共振子を基板上に複数設け、これら基板上の各圧
電薄膜共振子どうしをそれぞれの電極を図7の配線形態
に接続することで、その動作特性を安定させられたフィ
ルタを完成することができる。
図8で示すようなアンテナ入出力ANTに対して送信側
と受信側に切り替える構成としたデュプレクサ50にも
適用することができる。
いは図7(a)〜(c)で示されるフィルタを、携帯電
話や無線LANやその他、あらゆる各種電子通信機器に
搭載することで、当該電子通信機器の電子通信動作に使
用する場合、その動作特性を安定させることができる。
の圧電薄膜共振子60は、図9に示すように、基板61
の上面に所望形状の凹部62を形成し、この凹部62上
に薄膜支持部63、下部電極64、圧電薄膜65、上部
電極66をそれぞれ順に成膜した構成としてもよい。こ
の場合、凹部62は基板61を上下に貫通するものでな
く、有底状の凹み形状となっており、薄膜支持部62に
覆われた凹部62が空洞部となっている。
基板上に電極を設けるプロセスと、前記電極に所要のバ
イアス電位を印加した状態で該電極上に圧電薄膜を設け
るプロセスとを有するから、電極が、電位的にフローテ
ィング状態とならず安定している。そのため、電位的に
安定な電極上に形成した圧電薄膜の表面粗さを小さく
し、また、電気機械結合係数を大きく、品質係数を大き
くすることができ、圧電性の良好な圧電薄膜を有する電
子部品を製造することができる。
り、図1(a)は、図1(b)の(1)−(1)線断面
図、図1(b)は平面図
ダンス特性および位相特性を示す図、(b)従来の圧電
薄膜共振子のインピーダンス特性および位相特性を示す
図
る第1プロセスを示し、図3(a)は、図3(b)の
(3)−(3)線断面図、図3(b)は平面図
る第2プロセスを示し、図4(a)は、図4(b)の
(4)−(4)線断面図、図4(b)は平面図
る第3プロセスを示し、図5(a)は、図5(b)の
(5)−(5)線断面図、図5(b)は平面図
る第4プロセスを示し、図6(a)は、図6(b)の
(6)−(6)線断面図、図6(b)は平面図
の回路図
クサの回路図
す側面断面図
図
図
Claims (17)
- 【請求項1】基板上に電極が設けられ、この電極上に圧
電薄膜が設けられる電子部品であって、前記圧電薄膜の
表面粗さ(Ra)が10nm以下である、ことを特徴と
する電子部品。 - 【請求項2】請求項1に記載の電子部品において、 前記圧電薄膜が、前記電極に所要のバイアス電位を印加
した状態で成膜されている、ことを特徴とする電子部
品。 - 【請求項3】基板と、前記基板に形成されている、少な
くとも1層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少
なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟
む構造の振動部と、を有する共振子を設けた電子部品に
おいて、 前記圧電薄膜が、前記下部電極に所要のバイアス電位を
印加した状態で成膜されて、表面粗さ(Ra)が10n
m以下である、ことを特徴とする電子部品。 - 【請求項4】請求項3に記載の電子部品において、 前記基板は、開口部または凹部を有し、前記開口部また
は凹部上に前記振動部が形成されている、ことを特徴と
する電子部品。 - 【請求項5】請求項1ないし4のいずれかに記載の電子
部品において、 前記圧電薄膜が、ZnOおよびAlNから選択された1
種を主成分とする、ことを特徴とする電子部品。 - 【請求項6】請求項2または3に記載の電子部品におい
て、 前記バイアス電位が、+50V〜+300Vである、こ
とを特徴とする電子部品。 - 【請求項7】請求項1ないし6のいずれかに記載の電子
部品の複数を圧電薄膜共振子として備え、それらの電子
部品における電極同士をフィルタ回路の構成に接続して
なる、ことを特徴とするフィルタ。 - 【請求項8】請求項1ないし6のいずれかに記載の電子
部品の複数をラダー構成にした、ことを特徴とするフィ
ルタ。 - 【請求項9】請求項7または8に記載のフィルタを用い
て構成されている、ことを特徴とするデュプレクサ。 - 【請求項10】請求項1ないし6のいずれかに記載の電
子部品の1つないしは複数を圧電薄膜共振子として備
え、それらの電子部品を電子通信動作に使用する、こと
を特徴とする電子通信機器。 - 【請求項11】基板上に電極を設けるプロセスと、前記
電極に所要のバイアス電位を印加した状態で該電極上に
圧電薄膜を設けるプロセスと、を有することを特徴とす
る電子部品の製造方法。 - 【請求項12】基板上に下部電極と共に該下部電極の周
囲を取り囲む形態でかつ該下部電極と電気的導通がされ
るようにダミー電極を設けるプロセスと、前記電極に所
要のバイアス電位を印加した状態で電極上に圧電薄膜を
設けるプロセスと、前記圧電薄膜における外周部分と共
に前記ダミー電極を除去するプロセスと、前記圧電薄膜
を間にして一部が前記下部電極の一部と共に上下に対向
する一対の励振用電極部分を構成するように当該圧電薄
膜上に上部電極を設けるプロセスとを有することを特徴
とする電子部品の製造方法。 - 【請求項13】基板上に絶縁薄膜を形成するプロセス
と、前記絶縁薄膜上に下部電極と共に該下部電極の周囲
を取り囲む形態でかつ該下部電極と電気的導通がされる
ようにダミー電極を設けるプロセスと、前記電極に所要
のバイアス電位を印加した状態で該絶縁薄膜上と電極上
とに圧電薄膜を設けるプロセスと、前記圧電薄膜におけ
る外周部分と共に前記ダミー電極を除去するプロセス
と、前記圧電薄膜を間にして一部が前記下部電極の一部
と共に上下に対向する一対の励振用電極部分を構成する
ように当該圧電薄膜上に上部電極を設けるプロセスとを
有することを特徴とする電子部品の製造方法。 - 【請求項14】請求項11ないし13のいずれかに記載
の電子部品の製造方法において、 前記バイアス電位が、+50V〜+300Vである、こ
とを特徴とする電子部品の製造方法。 - 【請求項15】請求項11ないし14のいずれかに記載
の電子部品の製造方法において、前記圧電薄膜を、Zn
OおよびAlNから選択された1種を主成分として形成
する、ことを特徴とする電子部品の製造方法。 - 【請求項16】請求項11ないし15のいずれかに記載
の電子部品の製造方法において、前記圧電薄膜を、イオ
ンまたはプラズマを用いて成膜する、ことを特徴とする
電子部品の製造方法。 - 【請求項17】請求項11ないし16のいずれかに記載
の電子部品の製造方法において、前記圧電薄膜を、CV
D法、スパッタ法のいずれかで成膜する、ことを特徴と
する電子部品の製造方法。
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