JP2005101569A - Manufacturing method of piezoelectric thin film and piezo-resonator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高周波領域で用いるダイヤフラム型圧電共振子に関し、特に圧電共振子に用いる圧電薄膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a diaphragm type piezoelectric resonator used in a high frequency region, and more particularly to a method for manufacturing a piezoelectric thin film used for a piezoelectric resonator.
圧電基板の厚み縦振動を利用した圧電共振子の共振周波数は、圧電基板の厚さに反比例する。このため、高周波領域で用いる時には、その周波数に対応させ、圧電基板をきわめて薄く加工する必要がある。しかしながら、圧電基板自身の厚みを薄くすることは、その機械的強度の問題から、基本モードでは、数100MHzが実用上の高周波領域の限界とされてきた。 The resonance frequency of the piezoelectric resonator utilizing the longitudinal vibration of the piezoelectric substrate is inversely proportional to the thickness of the piezoelectric substrate. For this reason, when used in a high frequency region, it is necessary to process the piezoelectric substrate very thinly in correspondence with the frequency. However, to reduce the thickness of the piezoelectric substrate itself, due to the problem of mechanical strength, in the basic mode, several hundred MHz has been the limit of the practical high frequency region.
そこで、このような課題を解決するために、次のような圧電共振子が提案されている。この方法によれば、絶縁材料からなる基板の一部を裏面側からエッチングすることによって、基板の表面の一部に薄膜支持部を形成する。薄膜支持部上に一層もしくは複数の圧電薄膜層と電極層を形成してなる圧電共振子である。 Therefore, in order to solve such problems, the following piezoelectric resonator has been proposed. According to this method, a thin film supporting portion is formed on a part of the surface of the substrate by etching a part of the substrate made of an insulating material from the back side. It is a piezoelectric resonator formed by forming a single layer or a plurality of piezoelectric thin film layers and an electrode layer on a thin film support.
薄膜支持部は、微細加工技術を用いて薄くすることができる。また、圧電薄膜層も真空成膜装置を用いて薄く形成することができるので、数100MHz〜数1000MHzまで高周波特性を延ばし得る圧電共振子である(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、上記に説明した従来技術による圧電共振子には、以下の問題が存在する。 However, the piezoelectric resonator according to the related art described above has the following problems.
特許文献1においては、圧電薄膜としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法またはCVD法等の真空薄膜形成方法により、ZnO膜が形成される。
In
この圧電薄膜における圧電特性は、その形成された圧電薄膜の配向性や結晶性等により顕著な影響を受ける。真空薄膜形成法においては、形成する膜の配向性や結晶性等を精度良くコントロールすることが困難であり、そのため、形成された圧電薄膜の圧電特性がばらつくとの課題を有していた。 The piezoelectric characteristics of the piezoelectric thin film are significantly affected by the orientation and crystallinity of the formed piezoelectric thin film. In the vacuum thin film forming method, it is difficult to accurately control the orientation and crystallinity of the film to be formed, and therefore, there is a problem that the piezoelectric characteristics of the formed piezoelectric thin film vary.
上記問題を解決すべく本発明の圧電薄膜の製造方法および圧電共振子は、真空成膜装置を用い、圧電酸化物を主成分とする圧電薄膜の製造方法において、圧電薄膜は、真空成膜装置の成膜中の水分圧が2×10-5Pa以上で形成されることを特徴とする圧電薄膜の製造方法である。また、成膜中の水分圧が3×10-5Paより大きく3×10-3Paより小さいことを特徴とする。また、成膜中の窒素分圧が1×10-4Paより小さいことを特徴とする。また、圧電薄膜は、ZnOを主成分とすることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the piezoelectric thin film manufacturing method and the piezoelectric resonator of the present invention use a vacuum film forming apparatus, and in the piezoelectric thin film manufacturing method mainly comprising a piezoelectric oxide, the piezoelectric thin film is a vacuum film forming apparatus. The method of manufacturing a piezoelectric thin film is characterized in that the moisture pressure during film formation is 2 × 10 −5 Pa or more. Further, the moisture pressure during film formation is larger than 3 × 10 −5 Pa and smaller than 3 × 10 −3 Pa. Further, the nitrogen partial pressure during film formation is smaller than 1 × 10 −4 Pa. The piezoelectric thin film is characterized by containing ZnO as a main component.
更に、上記に記載の製造方法により形成された圧電薄膜を用いることを特徴とする圧電共振子である。また、該圧電共振子を少なくとも一つ用いることを特徴とする圧電フィルタである。また、該圧電フィルタを用いることを特徴とするデュプレクサである。 Furthermore, a piezoelectric resonator using the piezoelectric thin film formed by the manufacturing method described above. The piezoelectric filter is characterized by using at least one piezoelectric resonator. The duplexer is characterized by using the piezoelectric filter.
以上のような本発明の圧電薄膜の製造方法によれば、圧電薄膜の配向性および結晶性のばらつきが小さい圧電薄膜の形成ができ、圧電特性の向上した圧電特性ばらつきの小さい圧電薄膜の形成が可能となる。 According to the method for manufacturing a piezoelectric thin film of the present invention as described above, a piezoelectric thin film with small variations in orientation and crystallinity of the piezoelectric thin film can be formed, and a piezoelectric thin film with improved piezoelectric characteristics and small variations in piezoelectric characteristics can be formed. It becomes possible.
また、本発明の圧電薄膜の製造方法で形成された圧電薄膜を圧電共振子に、またこの圧電共振子を圧電フィルタに、更にこの圧電フィルタをデュプレクサに用いることで、高周波に対応した圧電特性が優れ、圧電特性ばらつきの小さい圧電共振子、圧電フィルタおよびデュプレクサを提供することが可能となる。 In addition, by using the piezoelectric thin film formed by the piezoelectric thin film manufacturing method of the present invention as a piezoelectric resonator, using this piezoelectric resonator as a piezoelectric filter, and further using this piezoelectric filter as a duplexer, piezoelectric characteristics corresponding to high frequencies can be obtained. It is possible to provide a piezoelectric resonator, a piezoelectric filter, and a duplexer that are excellent and have small variations in piezoelectric characteristics.
以下、本発明の実施例について添付図に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の圧電共振子の一実施例における概略断面図を示す。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a piezoelectric resonator according to the present invention.
図1において、圧電共振子50は、基板1と、圧電薄膜2と、圧電薄膜2の一方主面側に励振用電極3aと、圧電薄膜2の他方主面に励振用電極3bとを備える。圧電薄膜2と励振用電極3a、3bにより圧電素子を構成する。基板1は、裏面側に空洞部4を有し、その上面に基板の一部から構成される薄膜支持部5を備える。
In FIG. 1, a
上記した本発明の圧電共振子の製造方法の詳細を図2に示す概略プロセスフローを用いて説明する。 Details of the method for manufacturing the piezoelectric resonator of the present invention will be described with reference to a schematic process flow shown in FIG.
先ず、図2(a)に示すように基板1、例えばSi基板の上面にフォトリソ技術を用いて、レジストパターン6を形成する。具体的には、レジストをスピンコーター等により、所定の膜厚に塗布する。次に、所望するパターンが形成されたフォトリソマスクを介して、レジストを露光し、現像処理することによりレジストパターン6が形成される。
First, as shown in FIG. 2A, a
次に、図2(b)に示すように基板1上に励振用電極3aを形成する。具体的には、レジストパターン6が形成された基板1上に電極用金属膜を蒸着法等により形成する。次に、レジストパターン6およびレジストパターン6上の不要な金属膜を同時に剥離するリフトオフ法により、励振用電極3aが形成される。
Next, an excitation electrode 3a is formed on the
次に、図2(c)に示すように励振用電極3aが形成された基板1上に、所望する周波数に対応した所定の膜厚の圧電薄膜2を形成する。圧電薄膜2は、例えばZnOを用いる。圧電薄膜2は、所望する圧電特性に対応し、BaTiO3、BaTiO3−SrTiO3、PbTiO3−PbZrO3、Ta2O5等を用いることもある。
Next, as shown in FIG. 2C, a piezoelectric
また、圧電薄膜2は、メタルマスク等を用い、スパッタリング法やCVD法等の真空薄膜形成法により形成される。この際、圧電薄膜2は、成膜中の真空成膜装置内の水分圧が2×10-5Pa以上で形成される。すなわち水分圧が3×10-5Pa以上の場合には圧電特性K2(電気機械結合係数)が2%以上確保できるので、広帯域フィルタを作製することができる。また水分圧が3×10-3Pa以上の場合には、ZnO膜にクラックがはいり、ZnO膜の不良率が高くなる。このため水分圧は、3×10-5より大きく3×10-3Paより小さいことが好ましい。また、成膜中の真空成膜装置内の水分圧は、背圧の水分圧による制御でも構わないが、より好ましくは成膜中の真空成膜装置内の水分圧を制御することである。成膜中における真空成膜装置内の水分圧を分圧計、質量分析計等でモニターし、上記した所望する水分圧になるように、所定の経路から水成分を導入することで制御される。さらに、成膜中の真空装置内の窒素分圧は、圧電特性の劣化を防ぐために、1×10-4Paより小さいことが好ましい。
The piezoelectric
次に、図2(d)に示すように圧電薄膜2上に励振用電極3bを形成する。励振用電極3bは、励振電極3aと同様の方法により形成されることから詳細な説明は省略する。
Next, an
次に、基板1に、空洞部4を形成することで図1に示す圧電共振子50が形成される。空洞部4は、マスク等を用いてウェットエッチング、またはリアクティブイオンエッチング(RIE)により、基板1の裏面側から部分的にエッチングすることにより形成される。それにより、圧電基板1の一部に薄膜支持部5が形成される。
Next, the
ここで図3に、成膜中の真空成膜装置内の水分圧と形成された圧電薄膜2の圧電特性K2との関係を示す。図3より、真空成膜装置内の水分圧が上昇することにより圧電特性K2の良好になる傾向が明確に確認できる。真空成膜装置内の水分圧が2×10-5Paで圧電特性K2は、1%以上の値を示す。また、真空成膜装置内の水分圧が3×10-3Paより大きくなると、圧電特性K2は、2%以上の値を示す。また、図3には図示しないが、その再現性も確認されおり、圧電特性のばらつきが低減されている。さらに、真空成膜装置内の水分圧が2×10-3Paのとき、窒素分圧が2.8×10-7Paでは圧電特性K2は4.5%と大きい値を示す。しかし同じ水分圧において、窒素分圧を1×10-4Paにすると、圧電特性K2は0.4%と小さくなる。このように真空成膜装置内の窒素分圧を低くすることにより、圧電特性の劣化を防ぐことができる。この圧電特性K2の値は、通信システム用の高い周波数帯にも対応が可能な圧電特性の値である。
FIG. 3 shows the relationship between the water pressure in the vacuum film forming apparatus during film formation and the piezoelectric characteristic K 2 of the formed piezoelectric
また、圧電酸化物を主成分とする圧電薄膜における成膜中の水分圧による効果は、例えば、成膜中の水分圧が1×10-5Paでは認められず、本発明の条件により認められる膜中のOH基の存在であることからも確認されている。 In addition, the effect of moisture pressure during film formation on a piezoelectric thin film containing piezoelectric oxide as a main component is not recognized when the water pressure during film formation is 1 × 10 −5 Pa, for example, and is recognized according to the conditions of the present invention. It has also been confirmed from the presence of OH groups in the film.
以上のような本発明の圧電薄膜の製造方法によれば、圧電薄膜の配向性および結晶性のばらつきが小さい圧電薄膜の形成ができ、圧電特性の向上したばらつきの小さい圧電薄膜の形成が可能となる。 According to the method for manufacturing a piezoelectric thin film of the present invention as described above, a piezoelectric thin film with small variations in orientation and crystallinity of the piezoelectric thin film can be formed, and a piezoelectric thin film with improved variations in piezoelectric characteristics can be formed. Become.
また、本発明の圧電薄膜の製造方法で形成された圧電薄膜を圧電共振子に用いることで、高周波に対応した圧電特性が優れ、圧電特性ばらつきの小さい圧電共振子を提供すること可能となる。 In addition, by using the piezoelectric thin film formed by the method for manufacturing a piezoelectric thin film of the present invention as a piezoelectric resonator, it is possible to provide a piezoelectric resonator that has excellent piezoelectric characteristics corresponding to a high frequency and has small variations in piezoelectric characteristics.
図4は、本発明の圧電共振子の別の実施例における概略断面図を示す。 FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of another embodiment of the piezoelectric resonator of the present invention.
図4において、圧電共振子60は、基板1と、絶縁性薄膜7と、圧電薄膜2と、圧電薄膜2の一方主面側に励振用電極3aと、圧電薄膜2の他方主面に励振用電極3bとを備える。圧電薄膜2と励振用電極3a、3bにより圧電素子を構成する。基板1は、裏面側に空洞部4を備え、その上面に絶縁性薄膜7の一部から構成される薄膜支持部8を有する。
In FIG. 4, the
上記した本発明の圧電共振子の製造方法の詳細を図5に示す概略プロセスフローを用いて説明する。 Details of the method for manufacturing the piezoelectric resonator of the present invention will be described with reference to a schematic process flow shown in FIG.
先ず、図5(a)に示すように基板1、例えばSi基板の上面に絶縁性薄膜7を形成する。絶縁性薄膜7は、例えばスパッタリング法や熱酸化法等を用いてSiO2薄膜を形成すればよい。絶縁性薄膜7は、SiO2薄膜に限定するものではなく、電子ビーム法やスパッタリング法で形成された酸化アルミニウム薄膜または窒化アルミニウム薄膜を用いても構わない。また、絶縁性薄膜7は、単層に限定するものではなく、SiO2薄膜、酸化アルミニウム薄膜および窒化アルミニウム薄膜のうち、少なくとも2つ以上で、その順序を任意とした積層構造としても構わない。
First, as shown in FIG. 5A, an insulating
次に図5(b)に示すように、絶縁性薄膜7上に、励振用電極3b、圧電薄膜2、励振用電極3bを形成する。これは、図2(a)〜(d)に示した内容でと同様であることから詳細の記載を省略する。次に、基板1に空洞部4を形成することで、図4に示す圧電共振子60が形成される。空洞部4は、マスク等を用いてウェットエッチング、またはリアクティブイオンエッチング(RIE)により、基板1の裏面側から部分的にエッチングすることにより形成される。それにより、絶縁性薄膜7の一部に薄膜支持部8が形成される。
Next, as shown in FIG. 5B, the
圧電薄膜2は、成膜中の真空成膜装置内の水分圧を2×10-5Pa以上で形成される。すなわち水分圧が3×10-5Pa以上の場合には圧電特性K2が2%以上確保できるので、広帯域フィルタを作製することができる。また水分圧が3×10-3Pa以上の場合には、ZnO膜にクラックがはいり、ZnO膜の不良率が高くなる。このため水分圧は、3×10-5より大きく3×10-3Paより小さいことが好ましい。成膜中の真空成膜装置内の水分圧は、背圧の水分圧による制御でも構わないが、より好ましくは成膜中の真空成膜装置内の水分圧を制御することである。成膜中における真空成膜装置内の水分圧を分圧計、質量分析計等でモニターし、上記した所望する水分圧になるように、所定の経路から水成分を導入することで制御される。さらに、成膜中の真空装置内の窒素分圧は、圧電特性の劣化をなくすために1×10-4Paより小さいことが好ましい。
The piezoelectric
よって、圧電薄膜2の圧電特性が向上した、圧電特性ばらつきの小さい圧電薄膜の形成される。
Therefore, a piezoelectric thin film with improved piezoelectric characteristics of the piezoelectric
本発明の圧電薄膜の製造方法によれば、圧電薄膜の配向性および結晶性のばらつきが小さい圧電薄膜の形成ができ、圧電特性の向上したばらつきの小さい圧電薄膜の形成が可能となる。また、本発明の圧電薄膜の製造方法で形成された圧電薄膜を圧電共振子に用いることで、高周波に対応した圧電特性が優れ、圧電特性ばらつきの小さい圧電共振子を提供すること可能となる。 According to the method for manufacturing a piezoelectric thin film of the present invention, a piezoelectric thin film with small variations in orientation and crystallinity of the piezoelectric thin film can be formed, and a piezoelectric thin film with improved variations in piezoelectric characteristics can be formed. In addition, by using the piezoelectric thin film formed by the method for manufacturing a piezoelectric thin film of the present invention as a piezoelectric resonator, it is possible to provide a piezoelectric resonator that has excellent piezoelectric characteristics corresponding to a high frequency and has small variations in piezoelectric characteristics.
また、本発明の圧電共振子を用いて圧電フィルタを構成してもよい。 Moreover, you may comprise a piezoelectric filter using the piezoelectric resonator of this invention.
図6は、本発明の圧電共振子をラダー接続した圧電フィルタの概略等価回路図を示す。 FIG. 6 shows a schematic equivalent circuit diagram of a piezoelectric filter in which the piezoelectric resonators of the present invention are ladder-connected.
図6(a)にT型ラダーフィルタ、図6(b)、図6(c)にL型ラダーフィルタの等価回路図を示す。 FIG. 6A shows an equivalent circuit diagram of the T-type ladder filter, and FIGS. 6B and 6C show an equivalent circuit diagram of the L-type ladder filter.
図6(a)に示すように、T型ラダーフィルタは、3つの圧電共振子8を含む。3つの圧電共振子8は、それらの一端が互いに接続される。また、そのうち1つの圧電共振子8の他端が入力端子INに接続され、他の1つの圧電共振子8の他端は接地され、残りの1つの圧電共振子8の他端が出力端子OUTに接続される。また、π型ラダーフィルタを構成しても構わない。
As shown in FIG. 6A, the T-type ladder filter includes three
次に、図6(b)に示すように、L型ラダーフィルタは、4つの圧電共振子8を含む。2つの直列側の圧電共振子8と、2つの圧電共振子8の並列接続から構成されている。また、図6(c)に示すように、2つの圧電共振子8で構成されることもある。よって、本発明の圧電特性が優れ、圧電特性ばらつきの小さい圧電共振子をラダー型フィルタに用いることで、フィルタ特性に優れ、フィルタ特性ばらつきの小さいラダーフィルタを提供すること可能となる。
Next, as shown in FIG. 6B, the L-type ladder filter includes four
また、本発明の圧電フィルタを用いてデュプレクサを構成してもよい。
図7は、本発明の圧電フィルタを用いたデュプレクサの一実施例における概略ブロック図を示す。図7に示すように、デュプレクサ80は、送信機用フィルタおよび受信用フィルタを含む。送信側フィルタには、圧電フィルタとして、図6(a)で示したT型ラダーフィルタ70が用いられる。また、同様に受信側フィルタにのもT型ラダーフィルタ70が用いられる。よって、本発明のフィルタ特性に優れ、フィルタ特性ばらつきの小さいラダーフィルタをデュプレクサに用いることで、デュプレクサ特性に優れ、デュプレクサ特性ばらつきの小さいデュプレクサを提供すること可能となる。
Further, a duplexer may be configured using the piezoelectric filter of the present invention.
FIG. 7 shows a schematic block diagram of an embodiment of a duplexer using the piezoelectric filter of the present invention. As shown in FIG. 7, the
1 基板
2 圧電薄膜
3a、3b 励振用電極
4 空洞部
5、8 圧電薄膜支持部
6 レジストパターン
7 絶縁性薄膜
8、50、60 圧電共振子
70 T型ラダーフィルタ
80 デュプレクサ
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JP2004242886A JP2005101569A (en) | 2003-08-25 | 2004-08-23 | Manufacturing method of piezoelectric thin film and piezo-resonator |
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