JP2004048639A - 圧電共振子及びその製造方法等 - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜が有する応力をきわめて小さいものにし、共振特性に優れた良品率の高い圧電共振子などを提供する。
【解決手段】基板２と、基板２上に成膜されている絶縁膜４と、絶縁膜４上に形成されている、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７及び下部電極５を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部８と、を含み、下部電極の算術平均粗さ（Ｒａ）が２．５ｎｍ以下である。好ましくは、絶縁膜４の表面が、１．０ｎｍ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）を有しており、また、絶縁膜４の応力が、圧縮応力で２５０ＭＰａ以下であり、引張応力で４００ＭＰａ以下に設定されている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電共振子及びその製造方法、並びに圧電共振子を用いた圧電フィルタ、デュプレクサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電共振子には、圧電薄膜を下部電極と上部電極とで対向する状態で挟み込んでなる圧電振動部を有し、その挟み込まれた圧電薄膜に電極を通して高周波信号を与えることで、その圧電薄膜を厚み振動させるものがある。このような圧電共振子のうち、基板の開口を積層薄膜からなるダイヤフラムで覆い、このダイヤフラムに前記圧電振動部を支持する構造とした、いわゆるダイヤフラム型圧電共振子がある。
【０００３】
このようなダイヤフラム構造の圧電共振子には、ダイヤフラム形成時の残留応力がほぼ零となるように調整して共振特性を向上させたものがある（例えば、特許文献１参照。）。また、ダイヤフラム表面を高精度に平坦にして共振特性を向上させたものがある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２４４０３０号公報（第４頁〜第６頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−２７９４３８号公報（全頁、全図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ダイヤフラム形成時の残留応力を零とする圧電共振子の場合、ダイヤフラム表面が平坦でないと圧電振動部の結晶性や配向性が低くなり共振特性の向上に限界がある。また、ダイヤフラム表面の平坦化を図る圧電共振子の場合、応力が残留すると共振特性の向上に限界が発生する。
【０００６】
本発明は、ダイヤフラムにおける残留応力の低減と、ダイヤフラム表面の平坦化とを共に達成可能として、共振特性に優れた圧電共振子を提供することを共通の解決課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の圧電共振子は、基板と、前記基板上に成膜されている絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されている、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及び下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部と、を含み、前記下部電極の算術平均粗さ（Ｒａ）が２．５ｎｍ以下である、ことを特徴とする。
【０００８】
ここで、算術平均粗さによる表面粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳ規格Ｂ０６０１−２００１の規定にて定義される。
【０００９】
本発明に係る第１の圧電共振子によれば、下部電極の算術平均粗さ（Ｒａ）が２．５ｎｍ以下であるから、下部電極の平坦度が高いものとなっていて、絶縁膜上に形成される圧電振動部において結晶性・配向性の良い成膜が行えるから、共振特性に優れたものが得られる。
【００１０】
本発明の圧電共振子は、好ましくは、前記絶縁膜の表面が、１．０ｎｍ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）を有しており、また、前記絶縁膜の応力が、圧縮応力で２５０ＭＰａ以下であり、引張応力で４００ＭＰａ以下に設定されている。このようにすることにより、下部電極の平坦度がいっそう高いものとなっていて、絶縁膜上に形成される圧電振動部において結晶性・配向性の良い成膜が行えるから、共振特性にさらに優れたものが得られる。また、絶縁膜の応力が小さいので、絶縁膜そのものの破壊や、圧電振動部などの応力による破壊が解消される。これにより、応力により振動部がたわむことの特性劣化や不良が抑制できること、並びに、応力により振動部などが破壊されることが抑制できることから圧電共振子としての良品率が向上する。
【００１１】
本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、前記絶縁膜はＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするものであり、且つ算術平均面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下である。
【００１２】
本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、前記絶縁膜はＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするものであり、且つ応力が引張応力で２５０ＭＰａ以上４００ＭＰａ以下である。
【００１３】
本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、前記絶縁膜はＳｉＯ_２を主成分とするものであり、且つ算術平均面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下である。
【００１４】
本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、前記絶縁膜はＳｉＯ_２を主成分とするものであり、且つ応力が圧縮応力で２５０ＭＰａ以下である。
【００１５】
本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、前記下部電極上に酸化防止膜が形成されている。この場合、前記酸化防止膜が、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔのいずれかを主成分とする金属からなることが好ましい。また、この場合、前記下部電極が、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ａｇのいずれかを主成分とする金属からなることが好ましい。また、この場合、前記酸化防止膜がＡｕを主成分とする金属、前記下部電極がＡｌを主成分とする金属からなり、前記酸化防止膜と前記下部電極との間に、拡散防止膜が形成されていることが好ましい。この拡散防止膜が、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔｉのいずれかを主成分とする金属からなることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、前記基板は開口部もしくは凹部を有し、該開口部もしくは凹部上に前記振動部が形成されている。
【００１７】
本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、前記絶縁膜の表面は、０．７ｎｍ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）であり、最適には、０．４ｎｍ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）である。好ましくは、絶縁膜の応力は、圧縮応力で２００ＭＰａ以下であり、最適には１７０　ＭＰａ以下に設定される。
【００１８】
（２）本発明に係る第１の圧電フィルタは、本発明に係る圧電共振子をフィルタ素子として備えている。また、本発明に係る第２の圧電フィルタは、本発明に係る圧電共振子の複数をフィルタ素子として備えているとともに、これらフィルタ素子がラダー型に接続されて構成されている。本発明に係る第１のデュプレクサは、本発明に係る圧電共振子を備えている。また、本発明に係る第２のデュプレクサは、本発明に係る圧電フィルタを備えている。
【００１９】
本発明に係る圧電フィルタ、および、デュプレクサは、特性に優れた本発明に係る圧電共振子を備えているので、通信装置などに採用した場合、フィルタとしての機能や、信号切換などにおいて良好な性能を発揮する。
【００２０】
（３）本発明に係る圧電共振子の第１の製造方法は、基板と、前記基板上に成膜されている絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されている、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及び下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部とを含む圧電共振子の製造方法において、前記絶縁膜を、酸化珪素を主成分としてパワー密度が２．０〜８．５Ｗ／ｃｍ^２の範囲に設定したＲＦマグネトロンスパッタ法により形成する第１ステップと、前記圧電薄膜を、酸化亜鉛を主成分として形成する第２ステップと、を含む、ことを特徴とする。
【００２１】
この圧電共振子の製造方法によれば、絶縁膜がＲＦマグネトロンスパッタ法によってそのパワー密度が大きい状態で成膜することができるので、応力が小さくなるように調整できるとともに、表面の平坦性の高い成膜が行える。
【００２２】
また、この圧電共振子の製造方法の場合、前記ＲＦマグネトロンスパッタ法による成膜時のガス圧力は、０．６Ｐａ以下であることが好ましい。ここで、ガス圧力とは、このＲＦマグネトロンスパッタ法による成膜を行うときの成膜装置内におけるガス圧力のことをいう。ＲＦマグネトロンスパッタ法によれば、一般的に、緻密で平滑な膜（すなわち算術平均粗さＲａの小さい膜）が形成される。
【００２３】
（４）本発明に係る圧電共振子の第２の製造方法は、基板と、前記基板上に成膜されている第１、第２の絶縁膜と、前記第１、第２の絶縁膜上に形成されている、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及び下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部とが含まれる圧電共振子の製造方法において、前記第１、第２の絶縁膜の上層は、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするものであり、該Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする絶縁膜は、真空蒸着法によって、成膜開始前の成膜装置内の圧力が３．０×１０^−４Ｐａよりも低く設定した上で成膜することを特徴とする。
【００２４】
この圧電共振子の製造方法によれば、絶縁膜の表面が平坦になるとともに、応力が小さいものに調整されることになる。
【００２５】
（５）本発明に係る圧電共振子の第３の製造方法は、基板と、前記基板上成膜されている絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されている、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及び下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動とが含まれる圧電共振子の製造方法において、前記絶縁膜を酸化アルミニウムを主成分とし、電子ビーム蒸着法によって、膜厚成長速度が０．６〜１．０ｎｍ／秒の範囲で形成する第１ステップと、前記圧電薄膜を、酸化亜鉛を主成分として形成する第２ステップと、を含む、ことを特徴とする。
【００２６】
この圧電共振子の製造方法によれば、絶縁膜の表面が平坦になるとともに、応力が小さいものに調整されることになる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００２８】
（実施形態１）
図１を参照して本発明の実施形態１に係る圧電共振子を説明する。この圧電共振子１は、基板２と、開口部３と、絶縁膜４と、下部電極５と、圧電薄膜６と、上部電極７とを含む。
【００２９】
基板２は、半導体基板、例えばシリコンウェハにより構成されている。開口部３は、基板２の下面側に対して例えば異方性エッチングにより形成される。絶縁膜４は、基板２の上面側に、例えば酸化珪素（ＳｉＯ_２）により成膜された、電気的に絶縁性を有する膜である。下部電極５は、絶縁膜４上に適宜の電極材料、例えばアルミニウムで所定パターンに成膜されたものである。圧電薄膜６は、下部電極５と絶縁膜４の一部の上側に、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分として成膜された、圧電性を有する膜である。上部電極７は、圧電薄膜６上に適宜の電極材料、例えばアルミニウムで所定パターンに成膜されたものである。下部電極５と上部電極７とは厚み方向で互いに一部が対向する状態で、圧電薄膜６を挟み込んだ構成となっている。このような下部電極５と、上部電極７と、圧電薄膜６とによって圧電振動部８が構成される。
【００３０】
圧電振動部８は、下部電極５と上部電極７とに印加された例えば高周波電気信号によって厚み縦振動するように構成されている。開口部３上を覆っている絶縁膜４は、ダイヤフラム９を構成し、圧電振動部８を支持する。
【００３１】
下部電極の算術平均粗さ（Ｒａ）が小さくなると、その上に形成される圧電膜の配向性が向上し、良好な共振特性が得られることが、図２および図３から分かる。ラダーフィルタに用いられる共振子として必要なＱは２００以上であり、図２に示すように、下部電極の算術平均粗さ（Ｒａ）２．５ｎｍ以下であると、共振子のＱが２００以上となる。よって、ラダーフィルタを構成するために好適な２００以上のＱを有する共振子を得るには、下部電極の算術平均粗さ（Ｒａ）２．５以下である必要がある。
【００３２】
算術平均粗さ（Ｒａ）２．５ｎｍ以下である下部電極を形成するには、その下地となる絶縁膜の算術平均粗さ（Ｒａ）が小さい必要がある。図４に示すように、上層の絶縁膜の算術平均粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下であると、その上に形成される下部電極の算術平均粗さ（Ｒａ）は、２．５以下となることが分かる。
【００３３】
つまり、絶縁膜の算術平均粗さ（Ｒａ）１．０ｎｍ以下とすることで、算術平均粗さ（Ｒａ）２．５ｎｍ以下である下部電極を形成することができて、配向性の高い圧電薄膜が得られ、ひいてはラダーフィルタを構成するために好適な２００以上のＱを有する共振子を得ることができる。
【００３４】
図５（ａ）〜（ｃ）、図６（ｄ）〜（ｆ）を参照して、圧電共振子１の製造方法を説明する。なお、図面の都合でこの製造方法の各ステップを図５と図６とに分けたが、これらは一連のステップである。最初に、図５（ａ）で示すように、まず、シリコンウェハからなる基板２が用意される。次いで、図５（ｂ）で示すように、基板２上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により酸化珪素（ＳｉＯ_２）を主成分とする絶縁膜４が成膜される。この成膜工程が絶縁膜が酸化珪素を主成分とする圧電共振子の製造方法での第１ステップである。この成膜の際の条件は、ガス圧が０．１〜０．２５Ｐａであり、パワー密度が２．０〜８．５Ｗ／ｃｍ^２である。次いで、図５（ｃ）で示すように、絶縁膜４上に、フォトリソグラフィ法によりフォトレジストをパターニングし、このフォトレジストの上から蒸着やスパッタなどによってアルミニウムからなる下部電極５が成膜される。この成膜後、フォトレジストなどがリフトオフされる。なお、絶縁膜４の成膜時のガス圧は、上記のように０．１〜０．２５Ｐａであることが好ましいが、少なくとも０．６Ｐａ以下であればよい。
【００３５】
次いで、図６（ｄ）で示すように、絶縁膜４及び下部電極５上の所定範囲に、図示しないメタルマスクでマスクしてのスパッタにより酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする圧電薄膜６が成膜される。この成膜工程が絶縁膜が酸化珪素を主成分とする圧電共振子の製造方法での第２ステップである。次いで、図６（ｅ）で示すように、圧電薄膜６上などに、フォトリソグラフィによりフォトレジストをパターニングし、このフォトレジストの上から蒸着やスパッタなどによって、下部電極５と厚み方向で一部対向するようにアルミニウム（Ａｌ）からなる上部電極７が成膜される。次いで、図示しない電極パッドなどが成膜されるとともに、その後、フォトレジストなどがリフトオフされる。
【００３６】
最後に図６（ｆ）で示すように、基板２の裏面側に異方性エッチング処理を行うことによって、開口部３が形成される。この場合、開口部３の天井面が絶縁膜４に達するようにその開口部３が形成されている。
【００３７】
以上の各ステップを経ることによって本発明に係る圧電共振子の製造ステップが完了する。
【００３８】
上記ステップを経て製造された圧電共振子１の絶縁膜４の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍである。また、この圧電共振子１の絶縁膜４の応力は、圧縮応力であって、１５０ＭＰａである。なお、引張応力を正の値とした場合、この圧縮応力は負の値を示すのであって、−１５０ＭＰａである。
【００３９】
次に、ＲＦマグネトロンスパッタ法を採用して、上記条件においてＳｉＯ_２からなる絶縁膜を成膜することによって、絶縁膜の表面の算術平均粗さによる表面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下で、かつ、応力が圧縮応力２５０ＭＰａ以下の範囲に含まれるように、応力が小さくなる状態に調整される理由を説明する。
【００４０】
応力については、成膜圧力（ガスの圧力）と、応力との関係は周知のものとなっている。すなわち、成膜圧力（ガスの圧力）を高くすると圧縮応力は低減し、成膜圧力（ガスの圧力）を低くすると圧縮応力は大きくなる関係にあることが判明している。そのため、その圧縮応力を低減するためには、成膜圧力（ガスの圧力）を高く設定する。しかしながら、成膜圧力（ガスの圧力）を高く設定すると、成膜される絶縁膜表面の面粗さが粗くなり、面粗さ低減と、応力低減との両立が困難である。この理由は、成膜圧力が高いと、成膜時のガスが膜に空隙を多く生じさせることで表面が粗くなる傾向があるためである。逆に、成膜圧力を低くすると、緻密な成膜がなされ、表面が平滑になる傾向がある。しかしながら、その成膜圧力が低いことにより、成膜時に高速粒子が膜に衝突し易くなり、そのような高速粒子が格子内に格子間原子として入り込む釘打ち効果（ピーニング効果）が発生する。この釘打ち効果により、膜の体積膨張がもたらされ、膜には圧縮応力が発生する。
【００４１】
すなわち、ガス圧が高い場合には、スパッタ粒子のガスによる散乱確率が高くなることで、粒子のエネルギーが小さくなるため、釘打ち効果の影響が小さくなり、絶縁膜の応力は小さいものとなる。ところで、ガス圧が変化しても、成膜レートは大きく変動しないことも判明している。そこで、ＲＦマグネトロンスパッタ法により成膜していく際に、ＲＦパワーを大きくすると、成膜レートが大きくなる傾向がわかっているが、同一ガス圧で成膜レートが大きくなった場合、単位膜厚当たりの釘打ち効果は小さくなると考えられる。すなわち、釘打ち効果が小さくなることで、膜の応力は小さくなる。また、膜中に取り込まれる不純物（例えば成膜ガス）の量が少なくなるため、緻密で平滑な絶縁膜が形成されることになる。
【００４２】
従来から酸化珪素の絶縁膜の成膜方法としては、熱酸化法、減圧ＣＶＤ法、ゾルゲル法、蒸着法があるが、いずれの方法で成膜しても、応力が大きくなる。例えば、熱酸化法の場合は、３００〜４００ＭＰａ、蒸着法では、数百ＭＰａと応力が大きくなる。これらの方法で応力が大きくなる原因の１つとして、成膜時の温度が高いことがあげられる。スパッタが約３００℃であるのに対して、減圧ＣＶＤ法は５００〜８００℃、熱酸化法は約１１００℃であり、熱応力がスパッタの方が小さい。また、熱酸化法では、Ｏ_２による膜の表面の体積膨張が発生し、この結果、応力が大きくなる。ゾルゲル法は、焼成の温度が高いのに加えて、このゾルゲル法特有の性質により膜厚にばらつきが発生しやすく、膜表面の平坦性が悪い。
【００４３】
一方、ＲＦマグネトロンスパッタ法では、ＲＦパワー密度の調整を行うことで、応力が小さく、膜表面の算術平均粗さが１．０ｎｍ以下の絶縁膜を成膜できる。さらに、ＲＦマグネトロンスパッタのパワーを大きくすると、膜の欠陥が減少して緻密な膜となる。図７を参照すると、横軸に対応するＲＦパワー密度が２（Ｗ／ｃｍ^２）近くでは、縦軸に対応する絶縁膜（酸化珪素で成膜されている）の圧縮応力が２００ＭＰａを越える程度であるのに対して、ＲＦパワー密度が６（Ｗ／ｃｍ^２）から９（Ｗ／ｃｍ^２）程度では１５０ＭＰａ近くに低下している。図８を参照すると、横軸に対応するＲＦパワー密度が２（Ｗ／ｃｍ２）近くでは、縦軸に対応する絶縁膜表面の算術平均粗さが１．０ｎｍ程度であるのに対して、ＲＦパワー密度が８（Ｗ／ｃｍ^２）近くでは、０．３ｎｍ程度である。すなわち、ＲＦパワー密度が２．０（Ｗ／ｃｍ^２）以上のとき、絶縁膜表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下となる。一方、ＲＦパワー密度を８．５（Ｗ／ｃｍ^２）よりも大きくすると、ターゲットが割れやすくなり、成膜に支障をきたすので、８．５（Ｗ／ｃｍ^２）以下とすることが好ましい。
【００４４】
その結果、表面が平坦になる傾向が強くなり、釘打ち効果（ｐｅｅｎｉｎｇ効果）による絶縁膜へのアルゴンなどのガス分子の取り込みが減少し、ガス分子の取り込みによる体積膨張は小さくなる。よって、応力の小さな絶縁膜ができることになる。
【００４５】
なお、参考として、ＲＦパワー密度が高くなるほど共振特性としてのＱが向上することを図９に示している。また、面粗さが小さくなるほど、共振特性としてのＱが向上し、また、絶縁膜の応力が小さくなっていることを図１０に示している。
【００４６】
実施形態１のように、１層の酸化珪素（ＳｉＯ_２）を絶縁膜とし、その絶縁膜上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）の圧電薄膜を積層したものとなっている場合、絶縁膜も圧電薄膜も圧縮応力を有するものとなっているので、絶縁膜の応力が小さくなるように調整されることにより、ダイヤフラム９及び圧電振動部８全体の応力が小さくなるように調整できる。
【００４７】
（実施形態２）
本発明の実施形態２について図１１〜図１３を参照して説明する。
【００４８】
算術平均粗さ（Ｒａ）である１．０ｎｍ以下の絶縁膜のＡｌ_２Ｏ_３の成膜方法について、本発明者は検討した。まず、成膜レート（膜厚成長速度）と、形成された絶縁膜の応力及び表面粗さの関係について調査するため、電子ビーム蒸着法で他の条件はほとんど変えることなく、成膜レートのみをそれぞれ異ならせて、成膜したところ、図１１に示すような結果が得られた。図１１から明らかなように、成膜レートは、形成された絶縁膜の応力及び表面粗さにほとんど影響しないことが確認された。
【００４９】
次に、同じく電子ビーム蒸着法で、成膜レートは全て０．８ｎｍ／秒とするなど他の条件は変えることなく、成膜開始前の成膜装置内の圧力のみをそれぞれ異ならせて、成膜したところ、図１２に示すような結果が得られた。図１２から明らかなように、成膜開始前の成膜装置内の圧力が３．０×１０^−４Ｐａよりも低く設定した上で成膜すると、算術平均粗さ（Ｒａ）１．０ｎｍ以下の絶縁膜を得ることができることが分かった。
【００５０】
この結果は、成膜される膜の純度に起因するものと考えられる。ルツボで加熱されて蒸発したＡｌ_２Ｏ_３の粒子は、ルツボから飛散した直後の純度が最も高く、かつ最も粒子サイズが小さい、しかし、Ａｌ_２Ｏ_３の粒子が基板に到達するまでの間に、成膜装置内に浮遊している不純物が存在すると、不純物の粒子と化学反応することがあり、その結果、成膜される膜の純度が落ちる。それと共に、蒸発時の粒子サイズよりも大きくなり、粗な膜、すなわち、算術平均粗さ（Ｒａ）が大きな膜になる。そこで、成膜装置内に浮遊している不純物を抑えることが必要となる。成膜装置内の圧力は、成膜装置内に浮遊している不純物による影響を受ける。そこで、成膜装置内の圧力が小さくなるほど成膜装置内に浮遊している不純物の割合が小さくなるから、成膜開始前の成膜装置内の圧力が３．０×１０^−４Ｐａよりも低くなる程度まで少なくすれば、純度が高く、算術平均粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下の絶縁膜を得ることができる。
【００５１】
これは、電子ビーム蒸着法に限らず、抵抗加熱蒸着法、プラズマ・イオン・アシスト蒸着法など、真空蒸着法であれば良い。
【００５２】
酸化アルミニウムを主成分としてなる絶縁膜を有する圧電共振子の一例が図１３に示されている。図１３は圧電共振子の構造を示す縦断正面図である。この圧電共振子１１にあっては、シリコン基板１２上に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる絶縁膜１４、アルミニウムからなる下部電極１５、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする圧電薄膜１６、アルミニウムからなる上部電極１７が順番に形成されている。下部電極１５と上部電極１７とは厚み方向で互いに一部が対向する状態で、圧電薄膜１６を挟み込んだ構成となっている。この挟み込まれた圧電薄膜１６部分と、その挟み込んでいる下部電極１５及び上部電極１７とによって圧電振動部１８が構成されている。この圧電振動部１８は、下部電極１５及び上部電極１７を通じた電気信号によって厚み縦振動するように構成されている。圧電振動部１８の下方側は異方性エッチング、あるいは、リアクティブイオンエッチングにより、開口部１３が形成されている。また、開口部１３上を覆っている絶縁膜１４部分は圧電振動部１８が振動を可能とする状態でこの圧電振動部１８を支持するダイヤフラム１９を構成するものである。
【００５３】
次に、この圧電共振子１１の製造方法について順に簡単に説明する。
【００５４】
まず、シリコンウェハからなる基板１２が用意される。絶縁膜１４が、基板１２上に、電子ビーム蒸着法によって、膜厚成長速度が０．６（ｎｍ／秒）以上で１．０（ｎｍ／秒）以下の範囲で成膜される。この成膜工程が絶縁膜が酸化アルミニウムを主成分とする圧電共振子の製造方法での第１ステップである。この絶縁膜１４上に、リフトオフ蒸着法などによりアルミニウム（Ａｌ）からなる下部電極１５が成膜される。この成膜後、フォトレジストなどがリフトオフされる。絶縁膜１４及び下部電極１５上の所定範囲に、図示しないメタルマスクでマスクしての反応性スパッタリングにより酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする圧電薄膜１６が成膜される。この成膜工程が絶縁膜が酸化アルミニウムを主成分とする圧電共振子の製造方法での第２ステップである。圧電薄膜１６上などに、蒸着やスパッタなどによって、下部電極１５と厚み方向で一部対向するようにアルミニウム（Ａｌ）からなる上部電極１７が成膜される。次いで、図示しない電極パッドなどが成膜されるとともに、その後、フォトレジストなどがリフトオフされる。基板１２の裏面側に異方性エッチング処理を行うことによって、開口部１３が形成される。この場合、開口部１３の天井面が絶縁膜１４に達するようにその開口部１３が形成されている。
【００５５】
以上のステップを経ることによって本発明に係る圧電共振子は主な製造ステップが完了する。
【００５６】
上記ステップを経て製造された圧電共振子１１の絶縁膜１４の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．６ｎｍである。また、この圧電共振子１の絶縁膜４の応力は、引張応力であって、＋３００ＭＰａである。
【００５７】
この実施形態の圧電共振子の場合、酸化アルミニウムが酸化亜鉛とは反対の引張応力を有するため、素子全体の応力が低減でき、素子が破壊されにくくなり、信頼性が向上する。積層された電極膜、圧電薄膜および圧電共振子の共振特性が向上する。
【００５８】
実施形態２のように、１層の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を絶縁膜とし、その絶縁膜上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）の圧電薄膜を積層したものとなっている場合、絶縁膜は引張応力を有し、圧電薄膜は圧縮応力を有するものとなっているので、互いの応力が相殺し合うように調整されることにより、ダイヤフラム１９及び圧電振動部１８全体の応力が小さくなるように調整できる。
【００５９】
Ａｌなどの酸化しやすい金属を下部電極に用いた場合、圧電薄膜の成膜時に、Ａｌが酸化して下部電極の表面が酸化アルミニウムになってしまい、下部電極の上に形成する圧電薄膜の配向性が悪化する。これは、算術平均粗さ（Ｒａ）の小さい下部電極を形成しても、下部電極の表面が酸化する限り、圧電薄膜の配向性の悪化は発生する。Ａｌ以外に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ａｇを主成分とする金属からなる下部電極に用いた場合も同様である。
【００６０】
そこで、酸化防止膜を下部電極の上に形成する（図１４参照）。酸化防止膜は、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔなどを主成分とする酸化しにくい金属からなる。酸化防止膜は、下部電極の酸化を防ぐことができる程度の厚みであれば良く、４〜３０ｎｍの厚みがあれば良い。
【００６１】
酸化防止膜は、下部電極の平滑さの影響を受けて成膜されるので、下部電極と同様に平滑な膜となる。よって、酸化防止膜の上に形成される圧電薄膜の配向性は良いものとなる。
【００６２】
なお、下部電極にＡｌ、酸化防止膜にＡｕを用いた場合、ＡｕとＡｌで相互拡散が発生し、Ａｕからなる酸化防止膜において平滑な表面のものが得られなくなってしまう。そこで、下部電極にＡｌ、酸化防止膜にＡｕを用いた場合には、下部電極と酸化防止膜との間に、拡散防止膜を形成することが好ましい（図１５参照）。拡散防止膜は、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔｉのいずれかを主成分とする金属からなり、その厚さは、ＡｕとＡｌとで相互拡散を防ぐことができる程度の厚みであれば良く、４〜３０ｎｍの厚みがあれば良い。
【００６３】
（実施形態３）
図１６乃至図１８に、上記実施形態１の圧電共振子を用いた圧電フィルタを示している。この圧電フィルタは、ラダー型に構成されている。図１６は、圧電フィルタを示す概略平面図、図１７は図１６に示される圧電フィルタのＡ−Ａ線断面図、図１８は図１６に示される圧電フィルタの回路図である。
【００６４】
図１６乃至図１８を参照して、Ｌ型ラダーフィルタとして構成された圧電フィルタ２１は、シリコンウェハからなる基板２２と、該基板２２に形成された開口部２３と、酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる絶縁膜２４と、アルミニウムからなる下部電極２５ａ，２５ｂと、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする圧電薄膜２６と、アルミニウムからなる上部電極２７とを含む構成とされている。下部電極２５ａと上部電極２７、及び、この両電極２５ａ，２７に挟み込まれた圧電薄膜２６部分は圧電振動部２８ａを構成し、直列圧電共振子となっている。下部電極２５ｂと上部電極２７、及び、この両電極２５ｂ，２７に挟み込まれた圧電薄膜２６部分は圧電振動部２８ｂを構成し、並列圧電共振子となっている。開口部２３上を覆っている絶縁膜２４部分は圧電振動部２８ａ，２８ｂが振動を可能とする状態でこれらの圧電振動部２８ａ，２８ｂを支持するダイヤフラム２９を構成するものである。
【００６５】
次に、上記圧電フィルタ２１の製造過程について、順に簡単に説明する。
【００６６】
まず、シリコンウェハからなる基板２２が用意される。基板２２上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により酸化珪素（ＳｉＯ_２）を主成分とする絶縁膜２４が成膜される。この成膜の際の条件は、実施形態１と同様に、ガス圧が０．１Ｐａ以上で０．２５Ｐａ以内の範囲にあり、パワー密度が２．０（Ｗ／ｃｍ^２）より大きく８．５（Ｗ／ｃｍ^２）より小さい範囲内としている。この絶縁膜２４上に、フォトリソグラフィによりフォトレジストをパターニングし、このフォトレジストの上から蒸着やスパッタなどによってアルミニウム（Ａｌ）からなる下部電極２５ａ，２５ｂが成膜される。この成膜後、フォトレジストなどがリフトオフされる。絶縁膜２４及び下部電極２５ａ，２５ｂ上の所定範囲に、メタルマスクでマスクしてのスパッタにより酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする圧電薄膜２６が成膜される。圧電薄膜２６上などに、フォトリソグラフィによりフォトレジストをパターニングし、このフォトレジストの上から蒸着やスパッタなどによって、下部電極２５ａ，２５ｂと厚み方向で一部対向するようにアルミニウム（Ａｌ）からなる上部電極２７が成膜される。次いで、電極パッドなどが成膜されるとともに、その後、フォトレジストなどがリフトオフされる。基板２２の裏面側に異方性エッチング処理を行うことによって、開口部２３が形成される。この場合、開口部２３の天井面が絶縁膜２４に達するようにその開口部２３が形成されている。以上のステップを経ることによって本発明に係る圧電共振子は主な製造ステップが完了する。
【００６７】
上記ステップを経て製造された圧電共振子１の絶縁膜２４の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍである。また、この圧電共振子１の絶縁膜２４の応力は、圧縮応力であって、１５０ＭＰａである。なお、引張応力を正の値とした場合、この圧縮応力は負の値を示すのであって、−１５０ＭＰａである。
【００６８】
この他にラダー型に構成された圧電フィルタとしては、図１９や、図２０に示すものなどがある。図１９に示すものは、２個の直列圧電共振子の間に１個の並列圧電共振子を設けたＴ型の圧電フィルタである。各圧電共振子は、実施形態１に示した圧電共振子１や、実施形態３に示した圧電共振子と同様の絶縁膜構造となっている。
【００６９】
図２０に示すものは、２個の並列圧電共振子の間に１個の直列圧電共振子を設けたπ型の圧電フィルタである。各圧電共振子は、実施形態１に示した圧電共振子１や、実施形態３に示した圧電共振子と同様の絶縁膜構造となっている。
【００７０】
（実施形態４）
図２１に、本発明に係る圧電共振子を採用したデュプレクサ３１を示している。このデュプレクサ３１は、アンテナ端子３２、受信側端子３３及び送信側端子３４が設けられている。このデュプレクサ３１は、受信側端子３３及び送信側端子３４と、アンテナ端子３２との間に所要周波数帯域の高周波信号の通過のみ許す本発明に係る圧電共振子３５または圧電フィルタ３６が含まれる構成となっている。
【００７１】
（実施形態５）
図２２に、通信装置４１を示している。この通信装置４１は、例えば携帯電話などである。
【００７２】
この通信装置４１は、本体に備えられる受信回路４２と、送信回路４３と、アンテナ４４とを備えている。また、アンテナ４４と、受信回路４２及び送信回路４３とは、上記実施形態４で示したようなデュプレクサ３１を介して信号の伝送がなされる。したがって、このデュプレクサ３１に回路素子として含まれる本発明に係る圧電共振子または圧電フィルタによって、この通信装置４１は、その動作特性が安定したものとなるとともに、送受信信号の選択切り換えが良好に行える。
【００７３】
本発明は、上記各実施形態として説明したものに限定されるものでなく、例えば次のような変形例や応用例などでも良い。
【００７４】
（１）図２３に、圧電共振子の変形例を示している。この圧電共振子５１は、シリコン基板５２上面側に下方に凹む凹部５３を形成するとともに、シリコン基板５２上面及びその凹部５３を覆う状態で、酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる絶縁膜５４を成膜している。この絶縁膜５４上には、アルミニウムからなる下部電極５５が所定パターンに成膜されている。この下部電極５５及び絶縁膜５４上には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる圧電薄膜５６が成膜されている。この圧電薄膜５６上には、下部電極５５と一部厚み方向で重複する状態でアルミニウムからなる上部電極５７が成膜されている。互いに対向している下部電極５５と上部電極５７、及び、この両電極５５，５７に挟み込まれた圧電薄膜５６部分は圧電振動部５８を構成している。開口部５３上を覆っている絶縁膜５４部分は圧電振動部５８が振動を可能とする状態でこの圧電振動部５８を支持するダイヤフラム５９を構成している。
【００７５】
絶縁膜５４は、ＲＦマグネトロンスパッタ法により酸化珪素（ＳｉＯ_２）を主成分として成膜される。この成膜の際の条件は、実施形態１と同様に、ガス圧が０．１Ｐａ以上で０．２５Ｐａ以内の範囲にあり、パワー密度が２．０（Ｗ／ｃｍ^２）より大きく８．５（Ｗ／ｃｍ^２）より小さい範囲内としている。これにより、絶縁膜５４の表面表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍである。また、この圧電共振子１の絶縁膜２４の応力は、圧縮応力であって、１５０ＭＰａである。
【００７６】
（２）圧電薄膜としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分として構成しても良い。
【００７７】
（３）上部電極及び下部電極で挟み込まれて振動部を構成する薄膜部は、圧電薄膜を少なくとも１層含む構成であればよく、圧電薄膜が２層以上積層されていたり、圧電薄膜以外の例えば絶縁層などが含まれていても良い。
【００７８】
（４）圧電共振子は厚みすべり振動する素子でも良い。
【００７９】
【発明の効果】
本発明に係る圧電共振子によれば、絶縁膜上に形成される圧電振動部の結晶性・配向性の良い成膜が行えるから、共振特性に優れたものが得られる。また、絶縁膜の応力が小さいので、絶縁膜そのものの破壊や、圧電振動部などの応力による破壊が解消される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電共振子の一例を示す縦断正面図
【図２】下部電極の表面粗さと圧電薄膜のロッキングカーブ半値幅との関係を示すグラフ
【図３】下部電極の表面粗さとＱとの関係を示すグラフ
【図４】絶縁膜上層の表面粗さと下部電極の表面粗さとの関係を示すグラフ
【図５】図１の圧電共振子の製造過程を示す縦断正面図
【図６】図１の圧電共振子の製造過程を示す縦断正面図
【図７】ＲＦマグネトロンスパッタ法による絶縁膜の成膜におけるＲＦパワー密度と絶縁膜の圧縮応力との関係を示すグラフ
【図８】ＲＦマグネトロンスパッタ法による絶縁膜の成膜におけるＲＦパワー密度と絶縁膜表面の算術平均粗さ（Ｒａ）との関係を示すグラフ
【図９】ＲＦマグネトロンスパッタ法による絶縁膜の成膜におけるＲＦパワー密度と共振特性Ｑとの関係を示すグラフ
【図１０】ＲＦマグネトロンスパッタ法により成膜された絶縁膜表面の算術平均粗さ（Ｒａ）と、共振特性Ｑ並びに絶縁膜の応力との関係を示すグラフ
【図１１】本発明に係る実施例における成膜レートと引っ張り応力との関係、成膜レートと表面粗さとの関係を示すグラフ
【図１２】本発明に係る実施例における装置内真空度と引っ張り応力との関係、成膜レートと表面粗さとの関係を示すグラフ
【図１３】本発明に係る圧電共振子の別の実施形態を示す縦断正面図
【図１４】下部電極上に酸化防止膜を形成した本発明に係る圧電共振子を示す断面図
【図１５】下部電極上に拡散防止膜を形成し、その拡散防止膜上に酸化防止膜を形成した本発明に係る圧電共振子を示す断面図
【図１６】本発明に係る圧電フィルタの一例を示す概略平面図
【図１７】図１６の圧電フィルタの図１６におけるＡ−Ａ線矢視断面図
【図１８】図１６の圧電フィルタの回路図
【図１９】別の圧電フィルタの回路図
【図２０】別の圧電フィルタの回路図
【図２１】本発明に係るデュプレクサを示す概略説明図
【図２２】通信装置を示す概略説明図
【図２３】本発明に係る圧電フィルタの変形例を示す縦断正面図
【符号の説明】
１　　　圧電共振子
２　　　基板
４　　　絶縁膜
５　　　下部電極
６　　　圧電薄膜
７　　　上部電極
８　　　圧電振動部

Claims (20)

1. 基板と、前記基板上に成膜されている絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されている、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及び下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部と、を含み、
   前記下部電極の算術平均粗さ（Ｒａ）が２．５ｎｍ以下である、ことを特徴とする圧電共振子。
2. 前記絶縁膜の表面が、１．０ｎｍ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）を有しており、また、前記絶縁膜の応力が、圧縮応力で２５０ＭＰａ以下であり、引張応力で４００ＭＰａ以下に設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の圧電共振子。
3. 前記絶縁膜はＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするものであり、且つ算術平均面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電共振子。
4. 前記絶縁膜はＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするものであり、且つ応力が引張応力で２５０ＭＰａ以上４００ＭＰａ以下である、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電共振子。
5. 前記絶縁膜はＳｉＯ_２を主成分とするものであり、且つ算術平均面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電共振子。
6. 前記絶縁膜はＳｉＯ_２を主成分とするものであり、且つ応力が圧縮応力で２５０ＭＰａ以下である、ことを特徴とする請求項１、２、５のいずれか１項に記載の圧電共振子。
7. 前記下部電極上に酸化防止膜が形成されている、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧電共振子。
8. 前記酸化防止膜が、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔのいずれかを主成分とする金属からなる、ことを特徴とする請求項７に記載の圧電共振子。
9. 前記下部電極が、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ａｇのいずれかを主成分とする金属からなる、ことを特徴とする請求項７又は８に記載の圧電共振子。
10. 前記酸化防止膜がＡｕを主成分とする金属、前記下部電極がＡｌを主成分とする金属からなり、前記酸化防止膜と前記下部電極との間に、拡散防止膜が形成されている、ことを特徴とする請求項７に記載の圧電共振子。
11. 前記拡散防止膜が、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔｉのいずれかを主成分とする金属からなる、ことを特徴とする請求項１０に記載の圧電共振子。
12. 前記基板は開口部もしくは凹部を有し、該開口部もしく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、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の圧電共振子。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の圧電共振子をフィルタ素子として備えている、ことを特徴とする圧電フィルタ。
14. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の圧電共振子の複数をフィルタ素子として備えているとともに、これらフィルタ素子がラダー型に接続されて構成されている、ことを特徴とする圧電フィルタ。
15. 請求項１ないし１２のいずれかに記載の圧電共振子を備えている、ことを特徴とするデュプレクサ。
16. 請求項１３または１４に記載の圧電フィルタを備えている、ことを特徴とするデュプレクサ。
17. 基板と、前記基板上に成膜されている絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されている、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及び下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部とを含む圧電共振子の製造方法において、
    前記絶縁膜を、酸化珪素を主成分としてパワー密度が２．０〜８．５Ｗ／ｃｍ^２の範囲に設定したＲＦマグネトロンスパッタ法により形成する第１ステップと、
    前記圧電薄膜を、酸化亜鉛を主成分として形成する第２ステップと、を含む、ことを特徴とする圧電共振子の製造方法。
18. 請求項１７に記載の圧電共振子の製造方法において、
    前記ＲＦマグネトロンスパッタ法による成膜時のガス圧力は、０．６Ｐａ以下である、ことを特徴とする圧電共振子の製造方法。
19. 基板と、前記基板上に成膜されている第１、第２の絶縁膜と、前記第１、第２の絶縁膜上に形成されている、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及び下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部とが含まれる圧電共振子の製造方法において、
    前記第１、第２の絶縁膜の上層は、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするものであり、該Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする絶縁膜は、真空蒸着法によって、成膜開始前の成膜装置内の圧力が３．０×１０^−４Ｐａよりも低く設定した上で成膜する、ことを特徴とする圧電共振子の製造方法。
20. 基板と、前記基板上成膜されている絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されている、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及び下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動とが含まれる圧電共振子の製造方法において、
    前記絶縁膜を酸化アルミニウムを主成分とし、電子ビーム蒸着法によって、膜厚成長速度が０．６〜１．０ｎｍ／秒の範囲で形成する第１ステップと、
    前記圧電薄膜を、酸化亜鉛を主成分として形成する第２ステップと、を含む、ことを特徴とする圧電共振子の製造方法。

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