JP2005130068A - 圧電共振器の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 相互に異なる共振周波数を有する圧電共振器を少ないステップで形成する。
【解決手段】 圧電膜１４上に上部電極層２０を形成する第１のステップと、上部電極層２０にレジスト２１を塗布してこれを上部電極の形状にパターニングする第２のステップと、パターニングされたレジスト２１をマスクとし、マスキングされた部分以外の上部電極層２０を除去して複数の第１の上部電極１５ａを形成する第３のステップと、レジスト２１を除去する第４のステップと、第１の上部電極１５ａにレジスト２２を塗布して一部の第１の上部電極１５ａが露出するようにこれをパターニングする第５のステップと、露出した第１の上部電極１５ａを所定の厚みだけエッチングして第２の上部電極１５ｂを形成する第６のステップと、レジスト２２を除去する第７のステップと、を含む圧電共振器の製造方法とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は圧電共振器の製造方法に関し、特に相互に異なる共振周波数を有する圧電共振器の製造方法に適用して有効な技術に関するものである。
圧電薄膜中を伝搬するバルク波（ＢＡＷ − Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）を用いた圧電共振器でフィルタを構成する場合には、複数の圧電共振器が異なる共振周波数を有するようにしなければならない。一般には、それぞれの圧電共振器における上部電極の膜厚を変えることによりこれが達成される。また、上部電極はリソグラフィー技術を用いてパターニングが行われる。
したがって、同一基板上に所望の周波数特性を有するフィルタを作製する過程において、上部電極については、パターニングおよび膜厚を変化させることによる周波数調整が必須となる。
ここで、従来の技術による上部電極のパターニングおよび共振周波数の調整について説明する。なお、ここではフィルタが２つの異なる共振周波数（共振周波数Ａ、Ｂ）を有する圧電共振器からなる場合を取り上げている。
第１の製造方法は、たとえば特開２００２−３３５１４１号公報に開示されているものである。すなわち、図６において、圧電膜１４上に上部電極層２０を形成し（図６（ａ））、その上にレジスト２１を塗布して当該レジスト２１を一部の上部電極の形状にパターニングする（図６（ｂ））。次に、パターニングされたレジスト２１をマスクとし、マスキングされた部分以外の上部電極層２０を所定の厚みだけエッチングし（図６（ｃ））、レジスト２１を除去する（図６（ｄ））。続いて、レジスト２２を塗布して当該レジスト２２を全ての上部電極の形状にパターニングし（図６（ｅ））、パターニングされたレジスト２２をマスクとし、マスキングされた部分以外の上部電極層２０を除去する（図６（ｆ））。最後に、レジスト２２を除去することにより（図６（ｇ））、共振周波数Ａが得られる厚い膜厚の第１の上部電極１５ａと、共振周波数Ｂが得られる薄い膜厚の第２の上部電極１５ｂが形成される。
また、第２の製造方法は、たとえば特開２００３−２２０７４号公報に開示されているものである。すなわち、図７において、圧電膜１４上にレジスト２１を塗布してこれを上部電極の形状にパターニングし（図７（ａ））、その上に上部電極層２０を成膜して（図７（ｂ））、レジスト２１を除去する（図７（ｃ））。ここで、全ての膜厚が同じ上部電極１５ｂが形成される。次に、レジスト２２を塗布して一部の上部電極１５ｂが露出するようにレジスト２２をパターニングし（図７（ｄ））、再び上部電極層２３を成膜して（図７（ｅ））、レジスト２２を除去する（図７（ｆ））。これにより、共振周波数Ａが得られる厚い膜厚の第１の上部電極１５ａと、共振周波数Ｂが得られる薄い膜厚の第２の上部電極１５ｂが形成される。
特開２００２−３３５１４１号公報 特開２００３−２２０７４号公報
しかしながら、第１の製造方法では、最終ステップ（図６（ｇ））でパターニングが完了して上部電極が分離している。したがって、この後において初めて、上部電極１５ａ，１５ｂについてそれぞれ１回ずつ、合計２回の共振周波数測定ステップを含む周波数調整が可能となる。このとき、それぞれの上部電極１５ａ，１５ｂを独立して周波数調整するために各周波数調整プロセス毎にマスキングが必要になり、トータルとして多くのステップを取ることとなる。
また、第２の製造方法では、図７（ｄ）に示すステップの前に１回目の周波数調整が可能である。しかし、図７（ｆ）に示すステップの後に２回目の周波数調整が必要となり、この場合には片側の上部電極をマスキングする工程が入るので、トータルとしては長いステップを踏む必要がある。しかも、第２の方法では、一部の上部電極では２回成膜が繰り返されるため、その電極界面に高抵抗層が生成され共振特性が劣化する恐れがある。
そこで、本発明は、相互に異なる共振周波数を有する圧電共振器を少ないステップで形成することのできる圧電共振器の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る圧電共振器の製造方法は、基板上に形成された下部電極と、圧電膜を挟んで前記下部電極と反対側に形成された上部電極とで所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器の製造方法であって、前記圧電膜上に上部電極層を形成する第１のステップと、前記上部電極層にレジストを塗布して当該レジストを上部電極の形状にパターニングする第２のステップと、パターニングされた前記レジストをマスクとし、マスキングされた部分以外の前記上部電極層を除去して複数の第１の上部電極を形成する第３のステップと、前記レジストを除去する第４のステップと、前記第１の上部電極にレジストを塗布して一部の前記第１の上部電極が露出するように当該レジストをパターニングする第５のステップと、露出した前記第１の上部電極を所定の厚みだけエッチングして第２の上部電極を形成する第６のステップと、前記レジストを除去する第７のステップと、を含むことを特徴とする。
また、上記課題を解決するため、本発明に係る圧電共振器の製造方法は、基板上に形成された下部電極と、圧電膜を挟んで前記下部電極と反対側に形成された上部電極とで所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器の製造方法であって、前記圧電膜上にレジストを塗布する第１のステップと、前記圧電膜が上部電極の形状に露出するように前記レジストをパターニングする第２のステップと、パターニングされた前記レジストおよび露出した前記圧電膜の上に上部電極層を形成する第３のステップと、前記レジストを除去することによって当該レジストの上面に形成された前記上部電極層も併せて除去し、前記圧電膜上に複数の第１の上部電極を形成する第４のステップと、前記第１の上部電極にレジストを塗布して一部の前記第１の上部電極が露出するように当該レジストをパターニングする第５のステップと、露出した前記第１の上部電極を所定の厚みだけエッチングして第２の上部電極を形成する第６のステップと、前記レジストを除去する第７のステップと、を含むことを特徴とする。
本発明の好ましい形態において、前記第４のステップの後であって前記第５のステップの前に、前記第１の上部電極を所定の厚みだけエッチングして前記下部電極と前記第１の上部電極とで第１の共振周波数を得る周波数調整ステップを含むとともに、前記第６のステップにおいては前記下部電極と前記第２の上部電極とで第２の共振周波数を得ることを特徴とする。
本発明のさらに好ましい形態において、前記第３のステップにおいては、実際の使用には供されない少なくとも１つの第１のダミー上部電極を併せて形成して少なくとも１つの第１のダミー共振器を作成し、前記周波数調整ステップにおいては、前記第１の上部電極とともに前記第１のダミー上部電極をエッチングしながら前記第１のダミー共振器を用いて前記第１の共振周波数を調整し、前記第５のステップにおいては、さらに前記第１のダミー上部電極にもレジストを塗布して少なくとも１つの前記第１のダミー上部電極が露出するように当該レジストをパターニングし、前記第６のステップにおいては、露出した前記第１の上部電極とともに露出した前記第１のダミー上部電極を所定の厚みだけエッチングして形成された第２のダミー上部電極を備えた第２のダミー共振器を用いて前記第２の共振周波数を調整することを特徴とする。
本発明のさらに好ましい形態において、第１のステップに先立って、前記圧電膜上に誘電体膜を形成することを特徴とする。
本発明によれば以下の効果を奏することができる。
すなわち、本発明によれば、第４のステップで第１の上部電極が形成され、第６のステップで第１の上部電極よりも薄い膜厚の第２の上部電極が形成され、第２の上部電極の形成過程で共振周波数の調整が可能になるので、相互に異なる共振周波数を有する圧電共振器を少ないステップで形成することが可能になる。
また、本発明によれば、上部電極の成膜は一度限りなので、従来の技術における第２の製造方法のように成膜が繰り返されることによる電極の高電気抵抗化を心配する必要がない。
さらに、圧電膜上に誘電体膜を形成し、その上に上部電極を形成するようにすれば、圧電共振器の温度特性が改善されるとともに急峻な周波数特性が得られる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。
図１は本発明の一形態である製造方法により製造された圧電共振器を示す断面図、図２は本発明の一形態である圧電共振器の製造方法をプロセスを追って示す断面図、図３は本発明の他の形態である圧電共振器の製造方法をプロセスを追って示す断面図、図４は図２および図３の圧電共振器の製造方法により形成される圧電共振器を示す平面図、図５は図４の圧電共振器の等価回路図である。
図１に示す圧電共振器はＳＭＲ（Ｓｏｌｉｄｌｙ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）型圧電共振器と呼ばれるもので、たとえば単結晶シリコンからなる基板１１の上に、音響インピーダンスが高い薄膜と低い薄膜、たとえばＡｌＮ膜１２ａとＳｉＯ２膜１２ｂとが交互に各４層ずつ形成されてなる音響反射膜１２が形成されている。この音響反射膜１２上にはＰｔ膜が真空蒸着法により成膜され、リソグラフィーによりパターニングされて下部電極１３が形成されている。
さらに、下部電極１３上には、スパッタリング法によりＺｎＯからなる圧電膜１４が成膜されている。そして、圧電膜１４上には、同じくスパッタリング法によりＡｌが成膜され、リソグラフィーによりパターニングされて上部電極１５が形成されている。
このような圧電共振器において、下部電極１３と上部電極１５とに交流電圧を印可すると、圧電効果により圧電膜１４の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号が得られる。
なお、本形態においては音響反射膜１２は８層であるが、音響インピーダンスの異なる薄膜が３層以上にわたって交互に形成されていればよい。さらに、圧電膜１４と上部電極１５との間には、温度特性を改善したり急峻な周波数特性を得るためにＳｉＯ２膜等の誘電体膜を付加してもよい。
そして、各薄膜の膜質および形成方法は上記のものに限定されるものではなく、一例に過ぎない。
次に、以上説明した構造を有する圧電共振器における上部電極１５の製造方法について、図２、図３、図４および図５を用いて説明する。
図２において、先ず、圧電膜１４上に、たとえばスパッタリング法により膜厚３３０ｎｍの上部電極層２０を成膜する（図２（ａ）、第１のステップ）。この上部電極層２０の膜厚は、最も低い共振周波数を必要とする圧電共振器の設計膜厚に約１０％程加えた値となっている。なお、前述したＳｉＯ２膜等の誘電体膜を付加する場合には、上部電極層２０の形成に先立ってこれを圧電膜１４上に形成する。
次に、上部電極層２０にレジスト２１を塗布して、これをリソグラフィーにより上部電極部分だけが覆われた形状にパターニングする（図２（ｂ）、第２のステップ）。そして、パターニングされたレジスト２１をマスクとし、マスキングされた部分以外の上部電極層２０をイオンミリング装置を用いてビーム電圧５００Ｖ、ビーム電流１００ｍＡでＡｒ＋により除去して３３０ｎｍの膜厚を有する複数の第１の上部電極１５ａを形成し、複数の共振器が形成・分離される（図２（ｃ）、第３のステップ）。
その後、第１の上部電極１５ａ上に残っているレジスト２１を有機溶剤にて除去する。（図２（ｄ）、第４のステップ）。
以上のステップの代わりに、図３の（ａ）〜（ｃ）で示されたリフトオフを用いてもよい。
すなわち、圧電膜１４上にレジスト２１を塗布し（図３（ａ）、第１のステップ）、圧電膜１４が上部電極の形状に露出するようにレジスト２１をパターニングする（図３（ｂ）、第２のステップ）。次に、パターニングされたレジスト２１および露出した圧電膜１４の上に上部電極層２０を形成する（図３（ｃ）、第３のステップ）。そして、レジスト２１を除去することによってこのレジスト２１の上面に形成された上部電極層２０も併せて除去すると、圧電膜１４上に複数の第１の上部電極１５ａが形成される（図３（ｄ）、第４のステップ）。
第４のステップを実行して第１の上部電極１５ａが形成されたならば、下部電極１３と第１の上部電極１５ａとによりたとえば約１．９ＧＨｚの共振周波数（第１の共振周波数ｆ１）が得られるまで、イオンミリング装置により第１の上部電極１５ａの全面エッチングと共振周波数の測定を繰り返す（周波数調整ステップ）。
なお、この周波数調整ステップは、たとえば上部電極層２０を設計膜厚（ここでは３００ｎｍ）通りに成膜でき、これによりエッチングすることなく所望の共振周波数が得られる場合などでは、省略することができる。さらに、エッチング方法はイオンミリングに限定されず、例えばウェットプロセスを用いてもよい。
さて、第４のステップまたは周波数調整ステップを実行したならば、第１の上部電極１５ａにレジスト２２を塗布して、リソグラフィーによりエッチングが必要とされる一部の第１の上部電極１５ａが露出するようにこれをパターニングする（図２（ｅ）、第５のステップ）。このとき、露出した第１の上部電極１５ａについては、後述する電極の不完全なエッチングを防止するために、共振部分のエリアよりたとえば１０μｍ大きくなるようにエッチングするのがよい。
次に、露出した第１の上部電極１５ａを所定の厚みだけエッチングして３００ｎｍよりも薄い膜厚を有する第２の上部電極１５ｂを形成する（図２（ｆ）、第６のステップ）。この第６のステップにおいては、下部電極１３と第２の上部電極１５ｂとで、前述した第１の共振周波数ｆ１である１．９ＧＨｚよりも約３％高い１．９６ＧＨｚの共振周波数（第２の共振周波数ｆ２）が得られるまで、第２の上部電極１５ｂのエッチングと共振周波数の測定を繰り返す。
但し、このようにエッチングと周波数測定により所望の共振周波数に追い込んでいく作業は、第２の上部電極１５ｂが１回のエッチングで所望の共振周波数が得られた場合などでは、省略することができる。
最後に、レジスト２２を除去して（図２（ｇ）、第７のステップ）、圧電共振器が完成する。
ここで、周波数調整ステップおよび第６のステップにおける上部電極１５の周波数調整は、次のようにして行われる。
すなわち、図４および図５において、たとえば第１の共振周波数ｆ１を有する並列腕側圧電共振器Ｐと第２の共振周波数ｆ２を有する直列腕側圧電共振器Ｓ１，Ｓ２から構成されるラダー型フィルタ３０を作成する場合、第３のステップにおいて、実際の使用には供されない複数の第１のダミー上部電極１５ａ１を併せて形成して複数の第１のダミー共振器Ｌ１を近接した位置に作成する。そして、周波数調整ステップにおいては、第１の上部電極１５ａとともに第１のダミー上部電極１５ａ１をエッチングを繰り返して行い、この第１のダミー共振器Ｌ１で共振周波数を測定しながら第１の共振周波数ｆ１を調整する。
なお、第１のダミー共振器Ｌ１は、ここでは２つの共振器が直列に接続されているが、これはこの２つの上部電極部分に測定端子を当てることにより容易に共振周波数測定ができるようにするためである。そして、圧電膜にビア（貫通孔）が形成されて下部電極が一部露出された構造では、ダミー共振器が１つでも、このダミー共振器の上部電極および下部電極に測定端子を当てることにより共振周波数の測定が可能である。したがって、ダミー共振器は１つでも、複数でもよい。
第５のステップにおいては、さらに第１のダミー上部電極１５ａ１にもレジストを塗布して一部の第１のダミー上部電極１５ａ１が露出するように当該レジストをパターニングする。このとき、第１のダミー上部電極１５ａ１は、その全体がエッチングされるようにパターニングする。
なお、この第５のステップにおいて、前述のように、露出した第１の上部電極１５ａは共振部分のエリアより僅かに広いエリアがエッチングされる。これは、リソグラフィー工程において、マスクのミスアライメントにより電極の一部がレジストで覆われエッチングされないことを防ぐためである。
そして、第６のステップにおいては、露出した第１の上部電極１５ａとともに露出した第１のダミー上部電極１５ａ１を所定の厚みだけエッチングして形成された第２のダミー上部電極１５ｂ１を備えた第２のダミー共振器Ｌ２を用い、第２の上部電極１５ｂとともに第２のダミー上部電極１５ｂ１をエッチングを繰り返して行い、第２のダミー共振器Ｌ２で共振周波数を測定しながら第２の共振周波数ｆ２を調整する。
このように、本願では、第４のステップで第１の上部電極１５ａが形成され、第６のステップで第１の上部電極１５ａよりも薄い膜厚の第２の上部電極１５ｂが形成されるようになっているので、第２の上部電極１５ｂの形成過程で共振周波数の調整が可能になる。これにより、相互に異なる共振周波数を有する圧電共振器を少ないステップで形成することが可能になる。つまり、第４のステップを実行した後に１回目の周波数調整ができ、第６のステップの実行中において２回目の周波数調整ができることから、さらなるステップは不要になり、少ないステップで上部電極１５の作製が可能になる。
また、上部電極１５の成膜は一度限りなので、従来の技術における第２の製造方法のように成膜が繰り返されることによる電極の高電気抵抗化を心配する必要がない。
以上は、フィルタが２つの異なる共振周波数を有する圧電共振器から構成される場合について述べたが、フィルタが３つ以上の異なる共振周波数を有する圧電共振器から構成される場合であっても、図２および図３において示すステップ（e)〜（ｇ）を繰り返すことにより適用が可能である。
以上の説明においては、本発明をＳＭＲ型の圧電共振器に適用した場合について説明したが、基板の一部を切り欠いてバルク波を伝搬しやすくしたダイヤフラム型の圧電共振器など、圧電膜を用いた積層型の圧電共振器全般に適用することができる。
本発明の一形態である製造方法により製造された圧電共振器を示す断面図である。 本発明の一形態である圧電共振器の製造方法をプロセスを追って示す断面図である。 本発明の他の形態である圧電共振器の製造方法をプロセスを追って示す断面図である。 図２および図３の圧電共振器の製造方法により形成される圧電共振器を示す平面図である。 図４の圧電共振器の等価回路図である。 従来における圧電共振器の第１の製造方法をプロセスを追って示す断面図である。 従来における圧電共振器の第２の製造方法をプロセスを追って示す断面図である。
符号の説明
１１ 基板
１２ 音響反射膜
１２ａ ＡｌＮ膜
１２ｂ ＳｉＯ２膜
１３ 下部電極
１４ 圧電膜
１５ 上部電極
１５ａ 第１の上部電極
１５ａ１ 第１のダミー上部電極
１５ｂ 第２の上部電極
１５ｂ１ 第２のダミー上部電極
２０ 上部電極層
２１ レジスト
２２ レジスト
２３ 上部電極層
３０ ラダー型フィルタ
Ｌ１ 第１のダミー共振器
Ｌ２ 第２のダミー共振器
Ｐ 並列腕側圧電共振器
Ｓ１，Ｓ２ 直列腕側圧電共振器

Claims (5)

  1. 基板上に形成された下部電極と、圧電膜を挟んで前記下部電極と反対側に形成された上部電極とで所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器の製造方法であって、
    前記圧電膜上に上部電極層を形成する第１のステップと、
    前記上部電極層にレジストを塗布して当該レジストを上部電極の形状にパターニングする第２のステップと、
    パターニングされた前記レジストをマスクとし、マスキングされた部分以外の前記上部電極層を除去して複数の第１の上部電極を形成する第３のステップと、
    前記レジストを除去する第４のステップと、
    前記第１の上部電極にレジストを塗布して一部の前記第１の上部電極が露出するように当該レジストをパターニングする第５のステップと、
    露出した前記第１の上部電極を所定の厚みだけエッチングして第２の上部電極を形成する第６のステップと、
    前記レジストを除去する第７のステップと、
    を含むことを特徴とする圧電共振器の製造方法。
  2. 基板上に形成された下部電極と、圧電膜を挟んで前記下部電極と反対側に形成された上部電極とで所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器の製造方法であって、
    前記圧電膜上にレジストを塗布する第１のステップと、
    前記圧電膜が上部電極の形状に露出するように前記レジストをパターニングする第２のステップと、
    パターニングされた前記レジストおよび露出した前記圧電膜の上に上部電極層を形成する第３のステップと、
    前記レジストを除去することによって当該レジストの上面に形成された前記上部電極層も併せて除去し、前記圧電膜上に複数の第１の上部電極を形成する第４のステップと、
    前記第１の上部電極にレジストを塗布して一部の前記第１の上部電極が露出するように当該レジストをパターニングする第５のステップと、
    露出した前記第１の上部電極を所定の厚みだけエッチングして第２の上部電極を形成する第６のステップと、
    前記レジストを除去する第７のステップと、
    を含むことを特徴とする圧電共振器の製造方法。
  3. 前記第４のステップの後であって前記第５のステップの前に、前記第１の上部電極を所定の厚みだけエッチングして前記下部電極と前記第１の上部電極とで第１の共振周波数を得る周波数調整ステップを含むとともに、
    前記第６のステップにおいては前記下部電極と前記第２の上部電極とで第２の共振周波数を得ることを特徴とする請求項１または２記載の圧電共振器の製造方法。
  4. 前記第３のステップにおいては、実際の使用には供されない少なくとも１つの第１のダミー上部電極を併せて形成して少なくとも１つの第１のダミー共振器を作成し、
    前記周波数調整ステップにおいては、前記第１の上部電極とともに前記第１のダミー上部電極をエッチングしながら前記第１のダミー共振器を用いて前記第１の共振周波数を調整し、
    前記第５のステップにおいては、さらに前記第１のダミー上部電極にもレジストを塗布して少なくとも１つの前記第１のダミー上部電極が露出するように当該レジストをパターニングし、
    前記第６のステップにおいては、露出した前記第１の上部電極とともに露出した前記第１のダミー上部電極を所定の厚みだけエッチングして形成された第２のダミー上部電極を備えた第２のダミー共振器を用いて前記第２の共振周波数を調整することを特徴とする請求項３記載の圧電共振器の製造方法。
  5. 前記第１のステップに先立って、前記圧電膜上に誘電体膜を形成することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電共振器の製造方法。
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