JP2005150990A - 薄膜バルク波共振器ウェハ及び薄膜バルク波共振器の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 薄膜バルク波共振器の製造過程において発生する放電を防止し、これによって製品の信頼性と歩留まりを高める
【解決手段】 基板101と、基板101上に設けられた下部電極102及び上部電極104と、下部電極102と上部電極104との間に設けられた圧電膜103とを備え、圧電膜103に設けられた窓部を介して、下部電極102と上部電極104とが短絡されている。これにより、下部電極102と上部電極104とが同電位となることから、上部電極104を覆う保護膜の形成や基板のダイシング等、従来放電が発生しやすかったプロセスを進めても、圧電膜103を貫通する放電が発生することがない。
【選択図】 図4
【解決手段】 基板101と、基板101上に設けられた下部電極102及び上部電極104と、下部電極102と上部電極104との間に設けられた圧電膜103とを備え、圧電膜103に設けられた窓部を介して、下部電極102と上部電極104とが短絡されている。これにより、下部電極102と上部電極104とが同電位となることから、上部電極104を覆う保護膜の形成や基板のダイシング等、従来放電が発生しやすかったプロセスを進めても、圧電膜103を貫通する放電が発生することがない。
【選択図】 図4
Description
本発明は薄膜バルク波共振器ウェハに関し、特に、複数の薄膜バルク波共振器を多数個取りするための薄膜バルク波共振器ウェハに関する。また、本発明は薄膜バルク波共振器の製造方法に関し、特に、複数の薄膜バルク波共振器を多数個り可能な薄膜バルク波共振器の製造方法に関する。
現在、小型で且つ高性能な共振器として、薄膜バルク波共振器(Film Bulk Acoustic Resonator:FBAR)や表面弾性波(Surface Acoustic Wave:SAW)共振器など、圧電材料を用いた数々の共振器が実用化されている。中でも薄膜バルク波共振器は、その構造上、表面弾性波共振器に比べて共振周波数を高めやすいことから、例えば5GHz以上といった高い共振周波数が求められる用途において近年注目されている。
薄膜バルク波共振器は基本的に、上部電極、下部電極及びこれらの間に設けられた圧電膜によって構成され、上部電極と下部電極との間に高周波信号を印加することによって所望の共振特性を得ることができる。薄膜バルク波共振器の共振周波数は、主に、上部電極、下部電極及び圧電膜の膜厚に依存し、これら膜厚はバルク波の音速と共振周波数との比(音速/共振周波数)によって決まる波長を基準として設定される。ここで、バルク波の音速は、それぞれの膜を構成する材料の物性(弾性定数等)によって決まることから、それぞれの膜についての波長は共振周波数を高く設定するほど短くなる。つまり、高い共振周波数を得ようとすれば、圧電膜等の膜厚を薄く設定する必要が生じることになる。
このため、5GHz以上といった高い共振周波数が求められる場合には、圧電膜の膜厚を非常に薄く設定する必要があり、例えば圧電膜の材料としてZnOを用いた場合、共振周波数を5GHz以上とするためにはその膜厚を0.27μm程度とする必要がある。
特公平2−51284号公報
しかしながら、圧電膜は焦電性を有していることから、薄膜バルク波共振器の製造過程において上部電極と下部電極と間に電位差が生じやすく、この電位差が大きくなると圧電膜を介して上部電極と下部電極と間で放電が発生することがあった。このような放電が発生すると、圧電膜が損傷し、製品の信頼性や歩留まりを低下させてしまうという問題があった。しかも、このような放電は圧電膜の膜厚が薄くなるほど発生しやすくなることから、5GHz以上といった高い共振周波数を持った薄膜バルク波共振器の製造においては特に大きな問題となる。
したがって、本発明の目的は、薄膜バルク波共振器の製造過程において発生する放電を防止し、これによって製品の信頼性と歩留まりを高めることを目的とする。
本発明による薄膜バルク波共振器ウェハは、複数の薄膜バルク波共振器形成領域を有する薄膜バルク波共振器ウェハであって、基板と、前記基板上に設けられた下部電極及び上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた圧電膜とを備え、前記薄膜バルク波共振器形成領域間の少なくとも一部において前記下部電極と前記上部電極とが短絡されていることを特徴とする。
本発明によれば、下部電極と上部電極とが薄膜バルク波共振器形成領域間にて短絡されていることから、下部電極と上部電極とが同電位となる。このため、上部電極を覆う保護膜の形成や基板のダイシング等、従来放電が発生しやすかったプロセスを進めても、圧電膜を貫通する放電が発生することがない。
また、前記下部電極及び前記上部電極は、いずれも前記薄膜バルク波共振器形成領域の周囲を取り囲む短絡電極部を含んでおり、前記下部電極の短絡電極部の少なくとも一部と前記上部電極の短絡電極部の少なくとも一部の平面的な位置が実質的に一致していることが好ましい。これによれば、下部電極と上部電極との短絡を容易に行うことが可能となる。前記下部電極の短絡電極部と前記上部電極の短絡電極部との間には、前記圧電膜の存在しない窓部が連続的に設けられていても構わないし、断続的に設けられていても構わない。いずれにしても、このような窓部を介して下部電極と上部電極とが短絡される。
また、前記基板と前記下部電極との間に設けられた音響多層膜をさらに備えることが好ましい。これによれば、製造される薄膜バルク波共振器の特性を向上させることが可能となる。
本発明による薄膜バルク波共振器の製造方法は、基板上に下部電極を形成する第1の工程と、前記下部電極の一部を露出させる窓部を持った圧電膜を前記下部電極上に形成する第2の工程と、前記窓部を介して前記下部電極と短絡するよう、前記圧電膜上に上部電極を形成する第3の工程と、前記窓部に沿って前記基板を切断する第4の工程とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、下部電極と上部電極とが窓部を介して短絡されていることから圧電膜を貫通する放電が発生することがなく、また、この窓部に沿って基板を切断していることから、切断によって下部電極と上部電極とを分離することができる。
ここで、前記第2の工程においては、前記窓部とすべき部分をマスクしながら前記圧電膜を形成することが好ましい。これによれば、特別な製造プロセスを追加することなく、下部電極と上部電極とを短絡させることが可能となる。
このように、本発明によれば、製造過程において下部電極と上部電極とが同電位とされることから、圧電膜を貫通する放電が発生することがない。このため、圧電膜が非常に薄く、例えば5GHz以上といった高い共振周波数を持つ薄膜バルク波共振器を製造する場合においても、高い信頼性を得ることができるばかりでなく、高い製品歩留まりを得ることも可能となる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図1乃至図5は、本発明の好ましい実施形態による薄膜バルク波共振器の製造方法を示す工程図である。尚、図1乃至図3において(a)はいずれも略平面図であり、(b)はそれぞれA−A線、B−B線、C−C線に沿った略断面図である。また、図4は略平面図であり、図5はそのD−D線に沿った略断面図である。
本実施形態による薄膜バルク波共振器の製造においては、まず、図1(a),(b)に示すように、所定の面積を有する基板101を用意し、その一方の表面に音響多層膜110を形成する。ここで、基板101及びその上部に形成される各膜は、複数の薄膜バルク波共振器形成領域100aと、これら薄膜バルク波共振器形成領域100a間に存在する格子状のダイシング領域100bとに平面的に分類される。ダイシング領域100bは最終的にダイシングされる領域であり、これにより各薄膜バルク波共振器形成領域100aは、最終的に個々の薄膜バルク波共振器として分離される。ダイシング領域100bの幅は、ダイシングの際の「切りしろ」よりも狭く設定される。その意義については後述する。
基板101は、薄膜バルク波共振器の機械的強度を確保する基体としての役割を果たし、その材料としては、シリコン(Si)やサファイアなどの単結晶基板、アルミナやアルティックなどのセラミックス基板、石英やガラス基板などを用いることができる。中でも、安価であり、且つ、高度なウェハープロセスが確立されているSi単結晶を用いることが最も好ましい。
音響多層膜110は、互いに異なる材料からなる反射膜111及び112が交互に積層された構造を有しており、基板101方向へ伝搬する振動を反射することにより薄膜バルク波共振器の特性を向上させる役割を果たす。音響多層膜110を構成する反射膜の数としては特に限定されないが、本実施形態においては反射膜111及び112からなる対を4対積層している。反射膜111及び112の材料については、反射膜111の方が反射膜112よりも音響インピーダンスが高い限り特に限定されないが、対となる反射膜111及び112のうち、基板101側に位置する反射膜111については窒化アルミニウム(AlN)を用いることが好ましく、下部電極102側に位置する反射膜112については酸化シリコン(SiO2)を用いることが好ましい。反射膜111の材料として窒化アルミニウム(AlN)を用いる場合には、これをスパッタリング法により形成することが好ましく、反射膜112の材料として酸化シリコン(SiO2)を用いる場合には、これをCVD法により形成することが好ましい。反射膜111及び112の厚さについては目的とする共振周波数に応じて設定すればよく、波長の1/4程度にそれぞれ設定することが好ましい。波長とは、バルク波の音速と、目的とする共振周波数との比(音速/共振周波数)によって定義することができる。
次に、図2(a),(b)に示すように、音響多層膜110の表面に導電膜を形成し、これをパターニングすることによって下部電極102を形成する(第1の工程)。
図2(a)に示すように、下部電極102は、薄膜バルク波共振器形成領域100aに設けられた電極本体部102aと、ダイシング領域100bに設けられた格子状の短絡電極部102bと、電極本体部102aと短絡電極部102bとを接続する接続部102cとを有している。このような構成により、各電極本体部102aは接続部102cを介して短絡電極部102bに共通接続されることになる。尚、本実施形態では、各薄膜バルク波共振器形成領域100a内に2つの電極本体部102aを設けた例を示している。
このような平面形状を有する下部電極102の形成方法としては、まず真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法等を用いて音響多層膜110の全表面に導電膜を形成し、さらに導電膜の表面に所定のパターンを有するレジストを形成した後、これをマスクとしてイオンミリング等のエッチング法を用いてこの導電膜をパターニングすればよい。ここで、下部電極102の電極本体部102aは、薄膜バルク波共振器の一方の電極として用いられる他、次の工程で形成される圧電膜の下地となる膜であり、圧電膜の材料としてAlN、ZnO、GaNなどのウルツァイト型結晶構造を有する圧電材料を用いる場合、下部電極102としては、面心立方構造の(111)面、または、最密六方構造の(0001)面に単一配向した金属薄膜を用いることが好ましい。これは、面心立方構造の(111)面に単一配向した金属薄膜や、最密六方構造の(0001)面に単一配向した金属薄膜を下部電極102として用いれば、その上部に形成される圧電材料の結晶性がエピタキシャル成長により非常に良好となるからである。
下部電極102の材料としては、白金(Pt)、金(Au)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、レニウム(Re)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)およびルテニウム(Ru)の少なくとも1種を主成分とすることが好ましい。このうち、白金(Pt)、金(Au)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)およびロジウム(Rh)は面心立方構造となり、オスミウム(Os)、レニウム(Re)およびルテニウム(Ru)は最密六方構造となる。これらの金属は表面を清浄に保ちやすく、また汚染された場合にもアッシングや熱処理等によって清浄な表面を得やすいという利点を有している。下部電極102の表面が清浄であると、次に形成される圧電膜を容易に結晶性良く形成することが可能となる。
下部電極102としては、このほかにもモリブデン(Mo)やタングステン(W)などの体心立方構造の金属薄膜や、SrRuO3などのペロブスカイト型構造の酸化物導電体薄膜なども用いることができる。
下部電極102の厚さについても目的とする共振周波数に応じて設定すればよく、波長の1/10程度に設定することが好ましい。
尚、下部電極102と音響多層膜110との密着性を向上させるべく、これらの間に密着層を介在させることもまた好ましい。密着層はウルツァイト型結晶構造を有する結晶によって構成することが望ましく、その材料としては、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)等の3族元素から選ばれる少なくとも1種の元素と窒素との化合物や、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)等の2族元素の酸化物や硫化物が好ましい。特に、AlNは大気中で安定であり、反応性スパッタリング法により高い結晶性を有する膜を容易に形成することができることから、密着層の材料として最も好ましい。
次に、図3(a),(b)に示すように、薄膜バルク波共振器形成領域100aに圧電膜103を形成する(第2の工程)。ここで、ダイシング領域100bの少なくとも一部(本実施形態では全部)は、圧電膜103が形成されない窓部103aとなり、窓部103aからは下部電極102の短絡電極部102bが露出した状態となる。
このような平面形状を有する圧電膜103の形成方法としては、ダイシング領域100bを覆う格子状のマスクを介して、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法等により圧電膜103を選択的に形成することが特に好ましい。或いは、音響多層膜110及び下部電極102が形成された基板101上の全面に圧電膜103を形成し、薄膜バルク波共振器形成領域100aをレジストで覆った後、これをマスクとしてイオンミリング等のエッチング法を用いて圧電膜103をパターニングしても構わない。但し、前者の方法(格子状のマスクを用いて圧電膜103を選択的に形成する方法)の方が、工程数が少なくなるという利点がある。
圧電膜103の材料としては、上述の通り、ZnO、AlN、GaN等のウルツァイト型結晶構造を有する圧電材料を用いることができる。圧電膜103の材料として、AlNやZnOなどのウルツァイト型結晶構造を持つ圧電材料を用いる場合、その形成方法としては、RFマグネトロンスパッタリングやDCスパッタリング、ECRスパッタリングなどのスパッタリング法や、CVD(化学気相成長)法、MBE(分子線エピタキシー)法又は真空蒸着法を用いることが好ましく、中でもスパッタリング法、特にRFマグネトロンスパッタリング法を用いることがより好ましい。これは、RFマグネトロンスパッタリング法を用いることにより、AlNやZnOからなるc軸単一配向の高結晶性薄膜を容易に形成できるからである。AlNを用いる場合には、反応性RFマグネトロンスパッタリング法を用いることが好ましい。この場合、カソードにはAl金属を用い、Arと窒素のガスを導入して、200℃程度の基板温度で反応性RFマグネトロンスパッタリングを行うことで、優れたAlN膜を形成することができる。ECRスパッタリング法を用いた場合でも不純物の極めて少ない高結晶性薄膜が作製できる。
圧電膜103の厚さについても目的とする共振周波数に応じて設定すればよく、波長の1/2程度に設定することが好ましい。
尚、温度特性の改善等を目的として圧電膜103上にSiO2等からなる絶縁膜を形成する場合も、下部電極102の短絡電極部102bが窓部103aにおいて露出した状態とする必要がある。このような絶縁膜についても、窓部103aを覆う格子状のマスクを介して、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法等により選択的に形成することが好ましい。もちろん、全面に絶縁膜を形成し、その後パターニングすることによって窓部103aを開口させても構わないが、格子状のマスクを用いて絶縁膜を選択的に形成する方が、工程数が少なくなる。
次に、図4及び図5に示すように、圧電膜103等が形成された基板101上の全面に導電膜を形成し、これをパターニングすることによって上部電極104を形成する(第3の工程)。
図4に示すように、上部電極104は、下部電極102の電極本体部102a上に設けられた電極本体部104aと、ダイシング領域100bに設けられた格子状の短絡電極部104bと、電極本体部104aと短絡電極部104bとを接続する接続部104cと、最終的に電極パッドとなる端子部104dとを有している。このような構成により、各電極本体部104aは接続部104cを介して短絡電極部104bに共通接続されることになる。尚、本実施形態では、下部電極102の一つの電極本体部102a上に3つの電極本体部104aを設けた例を示している。ここで、上部電極104の短絡電極部104bは、ダイシング領域100bに設けられていることから、下部電極102の短絡電極部102bとの平面的な位置が一致しており、このため、窓部103aを介して下部電極102の短絡電極部102bと上部電極104の短絡電極部104bとが短絡された状態となる。
このような平面形状を有する上部電極104の形成方法としては、まず真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法等を用いて圧電膜103が形成された基板101上の全面に導電膜を形成し、その表面に所定のパターンを有するレジストを形成した後、これをマスクとしてイオンミリング等のエッチング法を用いて導電膜をパターニングすればよい。ここで、圧電膜103上に上述した絶縁膜が形成されている場合には、これをエッチングストッパーとして利用することが可能である。
上部電極104の材料としては、高い導電性を有する材料である限り特に限定されない。例えば、アルミニウム(Al)、金(Au)、白金(Pt)等の金属やこれらの金属と銅(Cu)等との合金、あるいはこれらの金属とチタン(Ti)等の金属を積層した多層膜を用いることができる。上部電極104の厚さについても目的とする共振周波数に応じて設定すればよく、波長の1/10程度に設定することが好ましい。
以上により、薄膜バルク波共振器の前駆体である「薄膜バルク波共振器ウェハ100」が完成する。薄膜バルク波共振器ウェハ100では、上述の通り、圧電膜103に設けられた連続的な窓部103aを介して、下部電極102の短絡電極部102bと上部電極104の短絡電極部104bとが短絡されていることから、下部電極102と上部電極104とが確実に同電位となる。これにより、以後の工程において下部電極102と上部電極104との間で放電が発生するおそれが無くなる。
このようにして上部電極104を形成した後は、上部電極104を覆う保護膜等を形成し、最後にダイシング領域100bに沿って、つまり窓部103aに沿って基板101を切断(ダイシング)することにより、個々の薄膜バルク波共振器形成領域100aを分割し、薄膜バルク波共振器を取り出す(第4の工程)。上述の通り、ダイシング領域100bの幅は切りしろよりも狭く設定されていることから、ダイシング領域100bに沿って基板101をダイシングすると、下部電極102の短絡電極部102b及び上部電極104の短絡電極部104bは完全に除去される。これにより、下部電極102の電極本体部102aと上部電極104電極本体部104aは、完全に分離される。以上により、薄膜バルク波共振器が完成する。
このようにして作製された薄膜バルク波共振器は、上述の通り、下部電極102と上部電極104とが短絡された状態で製造プロセス(上部電極104を覆う保護膜の形成や、基板101のダイシング等)が進められることから、製造過程において圧電膜103を貫通する放電が発生することがない。このため、圧電膜103が非常に薄く、5GHz以上といった高い共振周波数を持つ薄膜バルク波共振器を製造する場合においても、高い信頼性を得ることができるばかりでなく、高い製品歩留まりを得ることも可能となる。
図6は、上記の製造工程を経て作製された薄膜バルク波共振器の等価回路図である。
図6に示すように、作製された薄膜バルク波共振器は、直列接続された4つの共振器121〜124と、並列接続された2つの共振器125,126からなる2段のT型回路構成を有しており、端子部104dにインダクタンス素子等を接続することにより、フィルタとして利用することが可能となる。
本発明は、以上説明した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では圧電膜103の窓部103aがダイシング領域100bに沿って連続的に形成されているが、下部電極102の電極本体部102aと上部電極104電極本体部104aとを短絡している限り、図7に示すように、窓部103aをダイシング領域100bに沿って断続的に形成しても構わない。
また、上記実施形態では、下部電極102の全ての電極本体部102aと上部電極104の全ての電極本体部104aとを共通に短絡しているが、薄膜バルク波共振器ウェハ100内をいくつかのエリアに分割し、両者をエリアごとにエリア内で短絡しても構わない。さらに、全ての電極本体部102a及び104aが短絡電極部102b及び104bに接続されていることは必須でなく、短絡電極部102b又は104bに接続されていない電極本体部102a又は104が存在していても構わない。
さらに、上記実施形態では、基板101と下部電極102との間に音響多層膜110を形成しているが、本発明において音響多層膜を形成することは必須でない。また、本発明が対象とする薄膜バルク波共振器が上記実施形態に示したタイプに限定されるものではなく、図8に示すようなダイヤフラム構造を有する薄膜バルク波共振器に対しても本発明の適用が可能である。図8に示す薄膜バルク波共振器は、ビアホール41aを有する基板41と、基板41上に設けられたバッファ層42と、バッファ層42上に設けられた下部電極12と、下部電極12上に設けられた圧電膜13と、圧電膜13上に設けられた上部電極14とを備えて構成されており、バッファ層42は、ビアホール41aをエッチング加工する際のエッチングストッパ層として機能する。このような構造を有する薄膜バルク波共振器を製造する場合も、図示しないが圧電膜13に窓部を形成しておき、この窓部を介して下部電極12と上部電極14とを短絡することによって、製造過程における放電の発生を防止することが可能となる。
12 下部電極
13 圧電膜
14 上部電極
40 薄膜バルク波共振器
41a ビアホール
41 基板
42 バッファ層
100 薄膜バルク波共振器ウェハ
100a 薄膜バルク波共振器形成領域
100b ダイシング領域
101 基板
102 下部電極
102a 下部電極の電極本体部
102b 下部電極の短絡電極部
102c 下部電極の接続部
103 圧電膜
103a 窓部
104 上部電極
104a 上部電極の電極本体部
104b 上部電極の短絡電極部
104c 上部電極の接続部
104d 端子部
110 音響多層膜
111,112 反射膜
121〜126 共振器
13 圧電膜
14 上部電極
40 薄膜バルク波共振器
41a ビアホール
41 基板
42 バッファ層
100 薄膜バルク波共振器ウェハ
100a 薄膜バルク波共振器形成領域
100b ダイシング領域
101 基板
102 下部電極
102a 下部電極の電極本体部
102b 下部電極の短絡電極部
102c 下部電極の接続部
103 圧電膜
103a 窓部
104 上部電極
104a 上部電極の電極本体部
104b 上部電極の短絡電極部
104c 上部電極の接続部
104d 端子部
110 音響多層膜
111,112 反射膜
121〜126 共振器
Claims (7)
- 複数の薄膜バルク波共振器形成領域を有する薄膜バルク波共振器ウェハであって、基板と、前記基板上に設けられた下部電極及び上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた圧電膜とを備え、前記薄膜バルク波共振器形成領域間の少なくとも一部において前記下部電極と前記上部電極とが短絡されていることを特徴とする薄膜バルク波共振器ウェハ。
- 前記下部電極及び前記上部電極は、いずれも前記薄膜バルク波共振器形成領域の周囲を取り囲む短絡電極部を含んでおり、前記下部電極の短絡電極部の少なくとも一部と前記上部電極の短絡電極部の少なくとも一部の平面的な位置が実質的に一致していることを特徴とする請求項1に記載の薄膜バルク波共振器ウェハ。
- 前記下部電極の短絡電極部と前記上部電極の短絡電極部との間には、前記圧電膜の存在しない窓部が連続的に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の薄膜バルク波共振器ウェハ。
- 前記下部電極の短絡電極部と前記上部電極の短絡電極部との間には、前記圧電膜の存在しない窓部が断続的に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の薄膜バルク波共振器ウェハ。
- 前記基板と前記下部電極との間に設けられた音響多層膜をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の薄膜バルク波共振器ウェハ。
- 基板上に下部電極を形成する第1の工程と、前記下部電極の一部を露出させる窓部を持った圧電膜を前記下部電極上に形成する第2の工程と、前記窓部を介して前記下部電極と短絡するよう、前記圧電膜上に上部電極を形成する第3の工程と、前記窓部に沿って前記基板を切断する第4の工程とを備えることを特徴とする薄膜バルク波共振器の製造方法。
- 前記第2の工程においては、前記窓部とすべき部分をマスクしながら前記圧電膜を形成することを特徴とする請求項6に記載の薄膜バルク波共振器の製造方法。
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