JP2005244184A - Thin-film piezoelectric element and method of manufacturing the thin-film piezoelectric element - Google Patents

Thin-film piezoelectric element and method of manufacturing the thin-film piezoelectric element Download PDF

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Kenya Sano
賢也 佐野
Ryoichi Ohara
亮一 尾原
Naoko Yanase
直子 梁瀬
Yasuaki Yasumoto
恭章 安本
Kazuhiko Itaya
和彦 板谷
Takashi Kawakubo
隆 川久保
Hiroshi Toyoda
啓 豊田
Masahiko Hasunuma
正彦 蓮沼
Toshihiko Nagano
利彦 長野
Kazuhide Abe
和秀 阿部
Michihiko Nishigaki
亨彦 西垣
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film piezoelectric element which can improve the electromechanical coupling factor of a piezoelectric film. <P>SOLUTION: The thin-film piezoelectric element comprises an amorphous metal film 22 on a substrate 11 and a piezoelectric film 15 oriented perpendicularly to the surface of the amorphous metal film 22. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、圧電体を用いた薄膜圧電素子に関し、特に、高周波帯域で用いられる薄膜圧電素子及び薄膜圧電素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film piezoelectric element using a piezoelectric body, and more particularly to a thin film piezoelectric element used in a high frequency band and a method for manufacturing the thin film piezoelectric element.

近年、携帯電話をはじめとする移動体通信機器、コンピュータ間のデータを高速に転送する無線ローカルエーリアネットワーク(LAN)システム等の無線通信システムでは、GHz以上の高周波数帯を利用する。このような無線通信システム等の高周波数帯電子機器に用いられる高周波(RF)素子として、薄膜圧電素子が注目されている。薄膜圧電素子として、例えば、共振器、可変キャパシタ、あるいはマイクロスイッチ等が望まれている。特に、マイクロ電気機械システム(MEMS)技術による薄膜圧電素子は、金属・絶縁膜・半導体(MIS)集積回路(IC)等の半導体装置の製造工程と同様、薄膜微細加工により製造される。したがって、MEMS薄膜圧電素子及び半導体デバイスを同一の半導体基板上に集積化することが可能である。   In recent years, wireless communication systems such as mobile communication devices such as mobile phones and wireless local area network (LAN) systems that transfer data between computers at high speed use a high frequency band of GHz or higher. Thin film piezoelectric elements have attracted attention as high frequency (RF) elements used in high frequency band electronic devices such as such wireless communication systems. As a thin film piezoelectric element, for example, a resonator, a variable capacitor, a microswitch, or the like is desired. In particular, a thin film piezoelectric element by micro electro mechanical system (MEMS) technology is manufactured by thin film microfabrication in the same manner as a manufacturing process of a semiconductor device such as a metal / insulating film / semiconductor (MIS) integrated circuit (IC). Therefore, it is possible to integrate the MEMS thin film piezoelectric element and the semiconductor device on the same semiconductor substrate.

例えば、高周波数帯共振器として、弾性表面波(SAW)素子が一般に用いられている。しかし、SAW素子の共振周波数は、櫛型電極間距離に反比例するという関係にあり、1GHzを超える周波数領域では、櫛型電極間距離が1μm以下となり、近年、求められている利用周波数の高周波数化への対応が難しくなっている。   For example, a surface acoustic wave (SAW) element is generally used as a high frequency band resonator. However, the resonance frequency of the SAW element is inversely proportional to the inter-comb electrode distance, and in a frequency region exceeding 1 GHz, the inter-comb electrode distance is 1 μm or less. It has become difficult to respond to computerization.

SAW素子に代り、近年注目を集めている共振器として、圧電膜の厚み方向の縦振動モードを利用した薄膜圧電共振器(FBAR)がある。圧電膜を用いたFBARは、バルク音響波(BAW)素子等とも称せられている。FBARでは、共振周波数は、圧電体の音速及び膜厚によって定まる。例えば、圧電膜が、通常1〜2μmの膜厚で2GHz帯に、また0.4−0.8μmの膜厚で5GHz帯に対応する。更に、圧電膜を薄膜化することにより、数十GHzまでの高周波数化が可能である。   As a resonator that has recently attracted attention in place of the SAW element, there is a thin film piezoelectric resonator (FBAR) using a longitudinal vibration mode in the thickness direction of the piezoelectric film. An FBAR using a piezoelectric film is also referred to as a bulk acoustic wave (BAW) element or the like. In FBAR, the resonance frequency is determined by the sound speed and film thickness of the piezoelectric body. For example, the piezoelectric film usually corresponds to the 2 GHz band with a film thickness of 1 to 2 μm, and corresponds to the 5 GHz band with a film thickness of 0.4 to 0.8 μm. Furthermore, by reducing the thickness of the piezoelectric film, it is possible to increase the frequency up to several tens of GHz.

FBARを利用した梯子型フィルタが、移動体通信機のRFフィルタとして利用できることが非特許文献1に開示されている。梯子型フィルタでは、複数個のFBARが直列及び並列接続されるように配列されている。また、FBARは、容量可変キャパシタ及び増幅器と組み合わせて移動体通信機の電圧制御発振器(VCO)に利用することができる。   Non-Patent Document 1 discloses that a ladder-type filter using FBAR can be used as an RF filter of a mobile communication device. In the ladder filter, a plurality of FBARs are arranged so as to be connected in series and in parallel. The FBAR can be used as a voltage controlled oscillator (VCO) of a mobile communication device in combination with a variable capacitance capacitor and an amplifier.

現行の代表的なFBARの構造においては、窒化アルミニウム(AlN)や酸化亜鉛(ZnO)等の圧電膜が、対向する下部及び上部電極の間に挟まれている。高性能化のため、FBARの共振子は、空洞の上に浮かして配置される。空洞を有するFBARの製造工程が開示されている(例えば、特許文献1参照)。例えば、シリコン(Si)基板上に異方性エッチングにより窪みが形成される。次に、エッチングしやすい犠牲層、例えば、ホウ素及びリンをドープしたシリケートガラス(BPSG)が窪みの中に埋め込まれ平坦化される。平坦化された犠牲層上に下部電極、圧電膜、上部電極が順に堆積される。その後、犠牲層上に形成された上部電極から犠牲層に達するまで穴が穿けられる。選択エッチングにより犠牲層が除去されて空洞が形成される。   In the current typical FBAR structure, a piezoelectric film such as aluminum nitride (AlN) or zinc oxide (ZnO) is sandwiched between opposed lower and upper electrodes. For high performance, the FBAR resonator is placed above the cavity. A manufacturing process of an FBAR having a cavity is disclosed (for example, see Patent Document 1). For example, a depression is formed on a silicon (Si) substrate by anisotropic etching. Next, a sacrificial layer that is easy to etch, such as boron and phosphorus doped silicate glass (BPSG), is embedded in the recess and planarized. A lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are sequentially deposited on the planarized sacrificial layer. Thereafter, holes are drilled from the upper electrode formed on the sacrificial layer until the sacrificial layer is reached. The sacrificial layer is removed by selective etching to form a cavity.

FBARに用いる圧電膜の圧電特性は、配向性に依存する。例えば、AlN圧電膜では、AlN結晶のc軸配向半値幅と電気機械結合係数との間に強い相関があることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。良好な圧電特性を得るために、六方晶系のAlN圧電膜のc軸方向が下部及び上部電極の対向する方向に沿って配向するように形成する必要がある。しかし、犠牲層の上に形成されるAlN圧電膜の配向性には限界があり、電気機械結合係数が小さい問題がある。   The piezoelectric characteristics of the piezoelectric film used for FBAR depends on the orientation. For example, in an AlN piezoelectric film, it is known that there is a strong correlation between the c-axis orientation half width of an AlN crystal and the electromechanical coupling coefficient (see, for example, Non-Patent Document 1). In order to obtain good piezoelectric characteristics, it is necessary to form the hexagonal AlN piezoelectric film so that the c-axis direction is oriented along the opposing direction of the lower and upper electrodes. However, the orientation of the AlN piezoelectric film formed on the sacrificial layer is limited, and there is a problem that the electromechanical coupling coefficient is small.

圧電結晶の配向性を上げるために、AlN圧電膜を基板上にエピタキシャル成長させてFBARを製造する方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。特許文献2に開示された方法では、(111)配向のSi基板上にAlN圧電膜が(0001)方位、即ちc軸方向にエピタキシャル成長されている。AlN圧電膜上に上部電極が作成される。その後、AlN圧電膜が露出されるまで基板の裏面側からSi基板が異方性エッチングされてビアホールが形成される。AlN圧電膜が露出された後、基板裏面側から下部電極が作成される。このようにして、エピタキシャルAlN圧電膜を使用した共振子が空洞上に形成されている。   In order to improve the orientation of the piezoelectric crystal, a method of manufacturing an FBAR by epitaxially growing an AlN piezoelectric film on a substrate is disclosed (for example, see Patent Document 2). In the method disclosed in Patent Document 2, an AlN piezoelectric film is epitaxially grown in the (0001) direction, that is, the c-axis direction on a (111) -oriented Si substrate. An upper electrode is formed on the AlN piezoelectric film. Thereafter, the Si substrate is anisotropically etched from the back side of the substrate until the AlN piezoelectric film is exposed, and a via hole is formed. After the AlN piezoelectric film is exposed, a lower electrode is formed from the back side of the substrate. In this way, a resonator using the epitaxial AlN piezoelectric film is formed on the cavity.

上記したFBARの製造方法では、AlN圧電膜をc軸配向させるため、(111)方位のSi基板を使う必要がある。一般的な半導体装置の製造で使用される(100)方位のSi基板とは異なっている問題もある。   In the FBAR manufacturing method described above, it is necessary to use a Si substrate with a (111) orientation in order to make the AlN piezoelectric film c-axis oriented. There is also a problem that is different from the (100) -oriented Si substrate used in the manufacture of general semiconductor devices.

また、容量可変キャパシタ、あるいはマイクロスイッチ等の薄膜圧電素子では、基板上の空中で一端が支持されたアクチュエータの梁に設けられた可動電極、及びアクチュエータに対向する基板表面上に設けられた固定電極を備える。アクチュエータは、可動電極と固定電極の間の距離を変化させる。駆動力として、圧電膜の電歪効果あるいは逆圧電効果を用いる圧電アクチュエータが検討されている。   In addition, in a thin film piezoelectric element such as a capacitance variable capacitor or a microswitch, a movable electrode provided on an actuator beam supported at one end in the air on the substrate, and a fixed electrode provided on the substrate surface facing the actuator Is provided. The actuator changes the distance between the movable electrode and the fixed electrode. As a driving force, a piezoelectric actuator using an electrostrictive effect or a reverse piezoelectric effect of a piezoelectric film has been studied.

大きな電歪効果を有する圧電膜として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が知られている。PZTにおいて、良質の膜質を得るには室温で成膜した後600℃程度でアニールする必要がある。アニールにより体積収縮が生じるので、PZT圧電膜の残留歪は必然的に大きくなってしまう。圧電アクチュエータは、空中に支持され、上下電極に挟まれた圧電層を含む、長く薄い梁構造を有する。このため、残留歪によりPZT圧電膜に生じる反りを抑制することが困難となる。   As a piezoelectric film having a large electrostrictive effect, lead zirconate titanate (PZT) is known. In PZT, in order to obtain a good film quality, it is necessary to anneal at about 600 ° C. after film formation at room temperature. Since volume shrinkage occurs by annealing, the residual strain of the PZT piezoelectric film inevitably increases. The piezoelectric actuator has a long and thin beam structure including a piezoelectric layer supported in the air and sandwiched between upper and lower electrodes. For this reason, it becomes difficult to suppress the warpage generated in the PZT piezoelectric film due to the residual strain.

AlNやZnO等の圧電膜は、室温付近で成膜が可能であるので、PZT圧電膜に比べて成膜条件によって残留応力の精密な制御が可能である。しかし、AlNやZnO等は、電歪効果がPZTに比較して小さい。したがって、圧電膜の電気機械結合係数が小さく、圧電アクチュエータの駆動範囲が不十分となる可能性がある。
特開2000−69594号広報 特開2001−94373号広報 ラジャン・エス・ナイク他(Rajan S. Naik et al.),"AlN膜質を変化させた場合のバルク,c軸電気機械結合係数の測定(Measurements of Bulk, c-Axis Electromechanical Coupling Constant as a Function of AlN Film Quality)",アイ・イー・イー・イー トランザクション・オン・ウルトラソニックス,フェロエレクトリックス,アンド・フリクェンシ・コントロール(IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control), 2000年1月,第47巻,第1号,p.292−296
Since a piezoelectric film such as AlN or ZnO can be formed near room temperature, the residual stress can be controlled more precisely depending on the film forming conditions than the PZT piezoelectric film. However, AlN, ZnO, and the like have a smaller electrostrictive effect than PZT. Therefore, the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric film is small, and the driving range of the piezoelectric actuator may be insufficient.
JP 2000-69594 A JP 2001-94373 PR Rajan S. Naik et al., “Measurements of Bulk, c-Axis Electromechanical Coupling Constant as a Function of AlN Film Quality ”, IEEE Transactions on ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, January 2000, Vol. 47 , No. 1, p. 292-296

本発明は、圧電膜の電気機械結合係数の向上が可能な薄膜圧電素子及び薄膜圧電素子の製造方法を提供する。   The present invention provides a thin film piezoelectric element capable of improving the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric film and a method for manufacturing the thin film piezoelectric element.

上記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、(イ)基板上の非晶質金属膜と、(ロ)非晶質金属膜の上で、非晶質金属膜表面に垂直な方向に配向した圧電膜とを備える薄膜圧電素子であることを要旨とする。   In order to solve the above-described problems, the first aspect of the present invention includes (a) an amorphous metal film on a substrate and (b) an amorphous metal film perpendicular to the surface of the amorphous metal film. The gist of the invention is a thin film piezoelectric element including a piezoelectric film oriented in a direction.

本発明の第2の態様は、(イ)基板上に非晶質金属膜を形成し、(ロ)非晶質金属膜の上に、非晶質金属膜表面に垂直な方向に配向する圧電膜を形成し、(ハ)圧電膜の表面に圧電膜を挟んで非晶質金属膜と対向する上部金属膜を形成することを含む薄膜圧電素子の製造方法であることを要旨とする。   The second aspect of the present invention is: (a) an amorphous metal film is formed on a substrate, and (b) a piezoelectric material oriented in a direction perpendicular to the surface of the amorphous metal film on the amorphous metal film. The gist of the present invention is a method of manufacturing a thin film piezoelectric element including forming a film and (c) forming an upper metal film facing the amorphous metal film with the piezoelectric film sandwiched between the surfaces of the piezoelectric film.

本発明によれば、圧電膜の電気機械結合係数の向上が可能な薄膜圧電素子及び薄膜圧電素子の製造方法を提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which can improve the electromechanical coupling coefficient of a piezoelectric film, and a thin film piezoelectric element.

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

本発明の第1及び第2の実施例に係る薄膜圧電素子に用いる圧電膜15は、図1に示すように、基板11上に設けられた非晶質金属膜22の下地層の表面に設けられる。圧電膜15には、AlN、ZnO等の圧電体が用いられる。基板11には、Si等の半導体基板が用いられる。非晶質金属膜22には、アルミニウムタンタル(AlxTa1-x)、二ホウ化チタン(TiB2)等の金属が用いられる。なお、AlxTa1-x合金に対して、X線回折(XRD)や反射電子回折(RHEED)等により、例えばスパッタ等により室温近傍で成膜した場合、Al組成xが、約0.1から約0.9の範囲で非晶質化していることが確認されている。 The piezoelectric film 15 used in the thin film piezoelectric element according to the first and second embodiments of the present invention is provided on the surface of the base layer of the amorphous metal film 22 provided on the substrate 11 as shown in FIG. It is done. A piezoelectric material such as AlN or ZnO is used for the piezoelectric film 15. As the substrate 11, a semiconductor substrate such as Si is used. A metal such as aluminum tantalum (Al x Ta 1-x ), titanium diboride (TiB 2 ), or the like is used for the amorphous metal film 22. When an Al x Ta 1-x alloy is deposited near the room temperature by, for example, sputtering or the like by X-ray diffraction (XRD) or backscattered electron diffraction (RHEED), the Al composition x is about 0.1 To about 0.9, it is confirmed that the material is amorphous.

圧電膜15の性能は、圧電効果の大きさの指標である電気機械結合係数kt 2、及び共振周波数における機械的な振動の鋭さの指標である品質係数Q等で表すことができる。圧電膜15の電気機械結合係数を上げるには、圧電結晶の分極軸を圧電膜15の厚み方向に揃えることが重要となる。また、高純度の圧電結晶を用いて、圧電膜の結晶方位を分極方向に揃えることで、大きな品質係数Qが得られる。 The performance of the piezoelectric film 15 can be expressed by an electromechanical coupling coefficient k t 2 that is an index of the magnitude of the piezoelectric effect, a quality coefficient Q that is an index of the sharpness of mechanical vibration at the resonance frequency, and the like. In order to increase the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric film 15, it is important to align the polarization axis of the piezoelectric crystal in the thickness direction of the piezoelectric film 15. Moreover, a large quality factor Q can be obtained by using a high-purity piezoelectric crystal and aligning the crystal orientation of the piezoelectric film with the polarization direction.

例えば、薄膜圧電素子を用いたRFフィルタやVCOでは、圧電膜の電気機械結合係数が大きいほど広帯域化ができる。品質係数Qは、RFフィルタの挿入損失及びVCOの発振の純度に関連している。品質係数Qには、弾性波を吸収するような多様な現象が関係する。また、圧電アクチュエータでは、圧電膜の電気機械結合係数が大きいほど駆動範囲が増大するため、アクチュエータの低電圧駆動や広い可変範囲が実現できる。   For example, in an RF filter or VCO using a thin film piezoelectric element, the band can be broadened as the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric film increases. The quality factor Q is related to the insertion loss of the RF filter and the purity of the VCO oscillation. The quality factor Q is related to various phenomena that absorb elastic waves. Also, in the piezoelectric actuator, the driving range increases as the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric film increases, so that low voltage driving and a wide variable range of the actuator can be realized.

圧電膜15として用いるAlN或いはZnO等の圧電結晶は六方晶系に属する。六方晶系の結晶は、本来c軸配向しやすい性質を有している。圧電結晶の分極方向であるc軸、即ち、(0001)方向に圧電膜15を単一配向させることによって分極軸を揃えることができる。その結果、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qを確保することができる。   A piezoelectric crystal such as AlN or ZnO used as the piezoelectric film 15 belongs to the hexagonal system. Hexagonal crystals inherently have the property of being easily c-axis oriented. The polarization axes can be aligned by unidirectionally aligning the piezoelectric film 15 in the c-axis which is the polarization direction of the piezoelectric crystal, that is, the (0001) direction. As a result, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 can be ensured.

種々の下地層の上にAlN及びZnO圧電膜を成膜して、圧電膜の配向性がX線回折(XRD)等を用いて評価されている。下地層及び圧電膜は、マグネトロンスパッタ等により、室温で堆積されている。圧電膜の膜厚は、約500nmである。図2に示すように、Al0.4Ta0.6非晶質金属膜を下地層とした試料A及びBでは、AlN圧電膜及びZnO圧電膜は、それぞれ配向半値幅が2.3°及び2.6°でc軸方向に高配向している。また、TiB2非晶質金属膜を下地層とした試料C及びDでは、AlN圧電膜及びZnO圧電膜は、それぞれ配向半値幅が1.9°及び1.8°でc軸方向に高配向している。 AlN and ZnO piezoelectric films are formed on various underlayers, and the orientation of the piezoelectric films is evaluated using X-ray diffraction (XRD) or the like. The underlayer and the piezoelectric film are deposited at room temperature by magnetron sputtering or the like. The film thickness of the piezoelectric film is about 500 nm. As shown in FIG. 2, in samples A and B using an Al 0.4 Ta 0.6 amorphous metal film as an underlayer, the AlN piezoelectric film and the ZnO piezoelectric film have an alignment half-value width of 2.3 ° and 2.6 °, respectively. And highly oriented in the c-axis direction. In Samples C and D using a TiB 2 amorphous metal film as an underlayer, the AlN piezoelectric film and the ZnO piezoelectric film are highly oriented in the c-axis direction with half-widths of 1.9 ° and 1.8 °, respectively. doing.

また、酸化シリコン(SiO2)及びアルミナ(Al23)等の非晶質絶縁層を下地層に使用した試料E〜試料Hでは、AlN圧電膜及びZnO圧電膜は、c軸配向している。配向半値幅は、4.1°〜5.1°と、試料A〜試料Dに比べて広く配向性が劣っている。更に、Al多結晶金属や多結晶Si半導体(poly−Si)を下地層とした試料I〜試料Lでは、AlN圧電膜及びZnO圧電膜は、単一配向せずに多結晶膜になってしまう。このように、非晶質金属下地層が圧電膜の高配向化に及ぼす効果は非常に大きい。 In Samples E to H using an amorphous insulating layer such as silicon oxide (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) as an underlayer, the AlN piezoelectric film and the ZnO piezoelectric film are c-axis oriented. Yes. The alignment half-value width is 4.1 ° to 5.1 °, which is wider than Sample A to Sample D, and the orientation is poor. Furthermore, in Samples I to L using Al polycrystalline metal or polycrystalline Si semiconductor (poly-Si) as an underlayer, the AlN piezoelectric film and the ZnO piezoelectric film become polycrystalline films without being unidirectionally oriented. . As described above, the effect of the amorphous metal underlayer on the high orientation of the piezoelectric film is very large.

多結晶金属の表面は、種々の方位を有する結晶面から構成され、且つ、結晶粒に依存した凹凸などが存在することが多い。これに対し、非晶質金属は、表面が均一な非晶質で形成されている。また、表面粗さ計や原子間力顕微鏡(AFM)等で検出される二乗平均粗さは、多結晶金属表面では、3nm以上であるのに対し、非晶質金属表面では、3nm以下である。このように、非晶質金属では、極めて平坦で一様な表面が得られるため、AlN或いはZnO等の六方晶結晶の有する本来の晶癖面であるc面[0001]に配向して層が成長し易くなる。その結果、非晶質金属膜上に形成されるAlN或いはZnO等の圧電膜の配向性の向上が可能となる。   The surface of a polycrystalline metal is composed of crystal planes having various orientations, and there are many irregularities depending on crystal grains. On the other hand, the amorphous metal is formed with an amorphous surface having a uniform surface. Further, the mean square roughness detected by a surface roughness meter, an atomic force microscope (AFM) or the like is 3 nm or more on a polycrystalline metal surface, but is 3 nm or less on an amorphous metal surface. . As described above, since an extremely flat and uniform surface is obtained with an amorphous metal, the layer is oriented to the c-plane [0001], which is the original crystal habit plane of a hexagonal crystal such as AlN or ZnO. Easy to grow. As a result, the orientation of a piezoelectric film such as AlN or ZnO formed on the amorphous metal film can be improved.

また、基板表面の下地層或いは犠牲層として通常使用されるSiO2等の非晶質絶縁層と比較すると、一般に非晶質金属の表面エネルギーが非晶質絶縁層よりも大きい。非晶質金属膜の上に成長する結晶が層状成長して表面のエネルギーを下げようとする性質がある。そのため、非晶質金属膜上では、更に配向性が向上するものと考えられる。 In addition, the surface energy of the amorphous metal is generally larger than that of the amorphous insulating layer as compared with an amorphous insulating layer such as SiO 2 ordinarily used as an underlayer or sacrificial layer on the substrate surface. The crystal growing on the amorphous metal film grows in layers and has the property of reducing the surface energy. Therefore, it is considered that the orientation is further improved on the amorphous metal film.

また、図3に示すように、非晶質金属膜22の下地層表面に設けられた配向性金属膜23の表面に圧電膜15が積層されている。配向性金属膜23は、非晶質金属膜22表面上では高配向して成膜される。配向性金属膜23としては、(111)方位の晶癖面に高配向可能なAl、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、イリジウム(Ir)、ニッケル(Ni)、及び白金(Pt)等の面心立方格子(fcc)金属、(110)方位の晶癖面に高配向可能なモリブデン(Mo)及びタングステン(W)等の体心立方格子(bcc)金属等を利用することが可能である。高配向したAl(111)、Cu(111)、Au(111)、Ag(111)、Ir(111)、Ni(111)、Pt(111)、Mo(110)、及びW(110)等の配向性金属膜23の上に、配向性を受け継いでAlN(0001)、或いはZnO(0001)等の高配向圧電膜15を形成することが可能である。   As shown in FIG. 3, the piezoelectric film 15 is laminated on the surface of the orientation metal film 23 provided on the surface of the base layer of the amorphous metal film 22. The orientation metal film 23 is highly oriented on the surface of the amorphous metal film 22. As the orientation metal film 23, Al, copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), iridium (Ir), nickel (Ni), and platinum that can be highly oriented on the (111) crystal habit plane. A face-centered cubic lattice (fcc) metal such as (Pt) or a body-centered cubic lattice (bcc) metal such as molybdenum (Mo) or tungsten (W) that can be highly oriented on the crystal habit plane of (110) orientation is used. It is possible. Highly oriented Al (111), Cu (111), Au (111), Ag (111), Ir (111), Ni (111), Pt (111), Mo (110), W (110), etc. A highly oriented piezoelectric film 15 such as AlN (0001) or ZnO (0001) can be formed on the oriented metal film 23 by inheriting the orientation.

種々の下地層の上にAl金属膜及びAlN圧電層を成膜して、圧電膜の配向性がXRD等により評価されている。下地層、金属膜及び圧電膜は、全てマグネトロンスパッタにより、室温で堆積されている。圧電膜の膜厚は、約500nmである。図4に示すように、Al0.4Ta0.6非晶質金属膜を下地層とした試料Mでは、Al金属膜及びAlN圧電膜は、それぞれ配向半値幅が1.0°及び1.5°で(111)及びc軸方向に高配向している。また、TiB2非晶質金属膜を下地層とした試料Nでは、Al金属膜及びAlN圧電膜は、それぞれ配向半値幅が1.6°及び1.9°で(111)及びc軸方向に高配向している。 An Al metal film and an AlN piezoelectric layer are formed on various underlayers, and the orientation of the piezoelectric film is evaluated by XRD or the like. The underlayer, the metal film, and the piezoelectric film are all deposited at room temperature by magnetron sputtering. The film thickness of the piezoelectric film is about 500 nm. As shown in FIG. 4, in the sample M using an Al 0.4 Ta 0.6 amorphous metal film as an underlayer, the Al metal film and the AlN piezoelectric film have an alignment half width of 1.0 ° and 1.5 °, respectively ( 111) and highly oriented in the c-axis direction. Further, in the sample N using the TiB 2 amorphous metal film as the underlayer, the Al metal film and the AlN piezoelectric film have an alignment half width of 1.6 ° and 1.9 °, respectively, in the (111) and c-axis directions. Highly oriented.

また、SiO2及びAl23等の非晶質絶縁層を下地層に使用した試料O及び試料Pでは、Al金属膜は、配向半値幅が4.2°及び4.0°で(111)配向し、AlN圧電膜は、配向半値幅が4.6°及び4.1°でc軸配向している。試料O及び試料PのAl金属膜及びAlN圧電膜の配向半値幅は、試料M及び試料Nに比べて広く配向性が劣っている。更に、Al多結晶金属やpoly−Siを下地層とした試料Q及び試料Rでは、Al金属膜及びAlN圧電膜は、単一配向せずに無配向もしくは低配向の多結晶膜になってしまう。 In Sample O and Sample P in which an amorphous insulating layer such as SiO 2 and Al 2 O 3 is used as an underlayer, the Al metal film has an alignment half width of 4.2 ° and 4.0 ° (111 And the AlN piezoelectric film is c-axis oriented with orientation half widths of 4.6 ° and 4.1 °. The alignment half-value widths of the Al metal film and the AlN piezoelectric film of the sample O and the sample P are wider than the sample M and the sample N, and the orientation is inferior. Furthermore, in Sample Q and Sample R using Al polycrystalline metal or poly-Si as an underlayer, the Al metal film and the AlN piezoelectric film are not oriented in a single orientation but become a non-oriented or low-oriented polycrystalline film. .

このように、非晶質金属膜22と圧電膜15の間に高配向配向性金属膜23を介在させることにより、圧電膜を更に高配向させることが可能となる。   Thus, by interposing the highly oriented metal film 23 between the amorphous metal film 22 and the piezoelectric film 15, the piezoelectric film can be further highly oriented.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子は、図5に示すように、基板11表面に設けられた非晶質金属膜22の下部電極14と、下部電極14の表面に設けられた圧電膜15と、圧電膜15の表面に設けられた上部電極(上部金属膜)16とを備える。下部及び上部電極14、16の対向する領域と、対向する下部及び上部電極14、16で挟まれた圧電膜15とで共振部20が規定される。
(First embodiment)
As shown in FIG. 5, the thin film piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention is provided on the lower electrode 14 of the amorphous metal film 22 provided on the surface of the substrate 11 and on the surface of the lower electrode 14. The piezoelectric film 15 and an upper electrode (upper metal film) 16 provided on the surface of the piezoelectric film 15 are provided. The resonance part 20 is defined by the region where the lower and upper electrodes 14 and 16 face each other and the piezoelectric film 15 sandwiched between the lower and upper electrodes 14 and 16 which face each other.

また、図6に示すように、基板11の上に設けられた空洞17を挟んでバリア層13が設けられている。共振部20は、空洞17上に配置されている。下部電極14は、基板11表面からバリア層13表面上に延在して設けられている。例えば、基板11は、約1000Ω・cm以上の高抵抗のSi半導体基板等である。バリア層13は、SiO2膜等である。下部電極14は、AlTa等の非晶質金属膜である。圧電膜15は、AlN等である。上部電極16は、Al等の金属膜である。 Further, as shown in FIG. 6, a barrier layer 13 is provided with a cavity 17 provided on the substrate 11 interposed therebetween. The resonating unit 20 is disposed on the cavity 17. The lower electrode 14 is provided to extend from the surface of the substrate 11 to the surface of the barrier layer 13. For example, the substrate 11 is a Si semiconductor substrate having a high resistance of about 1000 Ω · cm or more. The barrier layer 13 is a SiO 2 film or the like. The lower electrode 14 is an amorphous metal film such as AlTa. The piezoelectric film 15 is made of AlN or the like. The upper electrode 16 is a metal film such as Al.

共振部20の圧電膜15では、下部電極14あるいは上部電極16に印加された高周波信号で励振されたバルク音響波の共振により、高周波信号が伝達される。例えば、下部電極14から印加されたGHz帯域の高周波信号は、共振部20の圧電膜15を介して上部電極16に伝達される。非晶質金属の下部電極14上では、圧電膜15が圧電結晶の分極方向であるc軸に高配向する。したがって、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qを確保することができる。   In the piezoelectric film 15 of the resonance unit 20, a high frequency signal is transmitted by resonance of the bulk acoustic wave excited by the high frequency signal applied to the lower electrode 14 or the upper electrode 16. For example, a high frequency signal in the GHz band applied from the lower electrode 14 is transmitted to the upper electrode 16 via the piezoelectric film 15 of the resonance unit 20. On the amorphous metal lower electrode 14, the piezoelectric film 15 is highly oriented in the c-axis, which is the polarization direction of the piezoelectric crystal. Therefore, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 can be ensured.

第1の実施の形態によれば、圧電膜15をc軸に高配向させることができ、電気機械結合係数及び品質係数Qを向上させることが可能となる。その結果、薄膜圧電素子の共振部20の良好な共振特性を実現することが可能となる。   According to the first embodiment, the piezoelectric film 15 can be highly oriented on the c-axis, and the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q can be improved. As a result, it is possible to realize good resonance characteristics of the resonance part 20 of the thin film piezoelectric element.

次に、第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法を、図7〜図10に示す工程断面図を用いて説明する。ここで、説明に使用する工程断面図には、図5に示したA−A線に相当する断面が示されている。   Next, a method for manufacturing the thin film piezoelectric element according to the first embodiment will be described with reference to process cross-sectional views shown in FIGS. Here, in the process cross-sectional view used for the description, a cross-section corresponding to the line AA shown in FIG. 5 is shown.

RFマグネトロンスパッタ等により、Si等の基板11の表面に、例えばストロンチウム・ルテニウム酸化物(SrRuO3)層を約1μmの厚さで成膜する。図7に示すように、フォトリソグラフィ及びウェットエッチング等により、SrRuO3層を選択的に除去して犠牲層12を形成する。その後、RFマグネトロンスパッタ等により、犠牲層12が形成された基板11の表面に、例えばSiO2層を約50nmの厚さで成膜する。フォトリソグラフィ及びウェットエッチング等により、SiO2層を選択的に除去してバリア層13を形成する。 For example, a strontium / ruthenium oxide (SrRuO 3 ) layer is formed to a thickness of about 1 μm on the surface of the substrate 11 such as Si by RF magnetron sputtering or the like. As shown in FIG. 7, the sacrificial layer 12 is formed by selectively removing the SrRuO 3 layer by photolithography, wet etching, or the like. Thereafter, for example, a SiO 2 layer is formed with a thickness of about 50 nm on the surface of the substrate 11 on which the sacrificial layer 12 is formed by RF magnetron sputtering or the like. The barrier layer 13 is formed by selectively removing the SiO 2 layer by photolithography, wet etching, or the like.

RFマグネトロンスパッタ等により、基板11上に、Al0.4Ta0.6等の非晶質金属層を成膜する。図8に示すように、フォトリソグラフィ及びフッ化物系ガスを使用した反応性イオンエッチング(RIE)等により、非晶質金属層を選択的に除去して下部電極14を形成する。 An amorphous metal layer such as Al 0.4 Ta 0.6 is formed on the substrate 11 by RF magnetron sputtering or the like. As shown in FIG. 8, the lower electrode 14 is formed by selectively removing the amorphous metal layer by photolithography and reactive ion etching (RIE) using a fluoride gas.

反応性RFマグネトロンスパッタ等により、基板11上に、AlN等の圧電体層を1.4μmの厚さで成膜する。図9に示すように、フォトリソグラフィ及び塩化物系ガスを使用したRIE等により、圧電体層を選択的に除去して、下部電極14の一端を覆うように圧電膜15を形成する。その後、RFマグネトロンスパッタ等により、基板11上に、Al等の金属層を成膜する。フォトリソグラフィ及びRIE等により、金属層を選択的に除去して、圧電膜15で覆われた下部電極14の一端側に延在するように上部電極16を形成する。   A piezoelectric layer such as AlN is formed to a thickness of 1.4 μm on the substrate 11 by reactive RF magnetron sputtering or the like. As shown in FIG. 9, the piezoelectric layer 15 is formed so as to cover one end of the lower electrode 14 by selectively removing the piezoelectric layer by photolithography and RIE using a chloride gas. Thereafter, a metal layer such as Al is formed on the substrate 11 by RF magnetron sputtering or the like. The metal layer is selectively removed by photolithography, RIE, or the like, and the upper electrode 16 is formed so as to extend to one end side of the lower electrode 14 covered with the piezoelectric film 15.

また、図10に示すように、例えば3%の濃度の硝酸セリウムアンモニウム(Ce(NH4(NO36)等を用いたエッチングにより、犠牲層12が基板11上で露出されている部分(図示省略)から、犠牲層12を選択的に除去して空洞17を形成する。このようにして、図6に示したように、空洞17上に下部電極14、圧電膜15及び上部電極16を有する共振部20が形成される。 Further, as shown in FIG. 10, the sacrificial layer 12 is exposed on the substrate 11 by etching using, for example, 3% concentration of cerium ammonium nitrate (Ce (NH 4 (NO 3 ) 6 )) ( Then, the sacrificial layer 12 is selectively removed to form the cavity 17. In this way, the lower electrode 14, the piezoelectric film 15 and the upper electrode 16 are formed on the cavity 17, as shown in FIG. The resonating part 20 is formed.

第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法では、下部電極14として非晶質金属膜が用いられている。共振部20において、圧電膜15は下部電極14表面に成膜される。その結果、共振部20の圧電膜15は、分極方向であるc軸に高配向する。   In the method of manufacturing the thin film piezoelectric element according to the first embodiment, an amorphous metal film is used as the lower electrode 14. In the resonance unit 20, the piezoelectric film 15 is formed on the surface of the lower electrode 14. As a result, the piezoelectric film 15 of the resonating unit 20 is highly oriented on the c-axis that is the polarization direction.

製造された薄膜圧電素子の周波数特性が、ネットワークアナライザ等により測定されている。例えば、第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子の共振周波数は、約2.1GHzである。また、薄膜圧電素子の共振特性より、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qが評価されている。例えば、電気機械結合係数は6.4%、品質係数Qは、共振点で700、反共振点で620である。電気機械結合係数及び品質係数Qは、エピタキシャル成長した単結晶圧電膜を用いた薄膜圧電素子に比べ、同程度であることが確認されている。このように、第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子の圧電膜15では、良好な圧電特性が実現されている。   The frequency characteristics of the manufactured thin film piezoelectric element are measured by a network analyzer or the like. For example, the resonance frequency of the thin film piezoelectric element according to the first embodiment is about 2.1 GHz. Further, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 are evaluated from the resonance characteristics of the thin film piezoelectric element. For example, the electromechanical coupling coefficient is 6.4%, and the quality factor Q is 700 at the resonance point and 620 at the anti-resonance point. It has been confirmed that the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q are comparable to those of a thin film piezoelectric element using an epitaxially grown single crystal piezoelectric film. Thus, good piezoelectric characteristics are realized in the piezoelectric film 15 of the thin film piezoelectric element according to the first embodiment.

第1の実施の形態によれば、エピタキシャル成長法等の高価で複雑な成長技術を用いることなく、圧電膜15をc軸に高配向させることができ、電気機械結合係数及び品質係数を向上させた薄膜圧電素子を実現できる。   According to the first embodiment, the piezoelectric film 15 can be highly oriented on the c-axis without using an expensive and complicated growth technique such as an epitaxial growth method, and the electromechanical coupling coefficient and the quality factor are improved. A thin film piezoelectric element can be realized.

(第1の実施の形態の第1の変形例)
本発明の第1の実施の形態の第1の変形例に係る薄膜圧電素子は、図11に示すように、基板11表面の絶縁膜32の上に設けられた下部電極14と、下部電極14の表面に設けられた圧電膜15と、圧電膜15の表面に設けられた上部電極16とを備える。絶縁膜32表面に設けられた非晶質金属膜22及び下部電極14の間の空洞17上に共振部20が配置されている。絶縁膜32は、SiO2膜、窒化シリコン(Si34)膜、あるいはSiO2膜及びSi34膜の複合膜等である。下部電極14は、Mo等の配向金属膜である。非晶質金属膜22は、AlTa等である。上部電極16は、Mo等の金属膜である。
(First modification of the first embodiment)
As shown in FIG. 11, the thin film piezoelectric element according to the first modification of the first embodiment of the present invention includes a lower electrode 14 provided on an insulating film 32 on the surface of the substrate 11, and a lower electrode 14. A piezoelectric film 15 provided on the surface of the piezoelectric film 15 and an upper electrode 16 provided on the surface of the piezoelectric film 15. The resonance part 20 is disposed on the cavity 17 between the amorphous metal film 22 and the lower electrode 14 provided on the surface of the insulating film 32. The insulating film 32 is a SiO 2 film, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film, or a composite film of a SiO 2 film and a Si 3 N 4 film. The lower electrode 14 is an oriented metal film such as Mo. The amorphous metal film 22 is AlTa or the like. The upper electrode 16 is a metal film such as Mo.

第1の実施の形態の第1の変形例では、非晶質金属膜22が空洞17を挟んで高配向金属膜の下部電極14と対向する様に設けられている点が、第1の実施の形態とは異なる。他の構成は、第1の実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。   In the first modification of the first embodiment, the amorphous metal film 22 is provided so as to face the lower electrode 14 of the highly oriented metal film with the cavity 17 in between. It is different from the form. Other configurations are the same as those of the first embodiment, and thus redundant description is omitted.

例えば、非晶質金属膜22上に、下部電極14に用いる金属材料に対して選択的にエッチング可能なAl等の金属を設ける。非晶質金属膜22上では、Al金属膜は、非晶質金属膜22の表面に垂直な方向で(111)方位に高配向させることができる。下部電極14に用いるMoは、(111)配向のAl金属膜上で、(110)方位に高配向する。(110)高配向の下部電極14上で、圧電膜15が圧電結晶の分極方向であるc軸に高配向する。したがって、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qを確保することができる。   For example, a metal such as Al that can be selectively etched with respect to the metal material used for the lower electrode 14 is provided on the amorphous metal film 22. On the amorphous metal film 22, the Al metal film can be highly oriented in the (111) direction in a direction perpendicular to the surface of the amorphous metal film 22. Mo used for the lower electrode 14 is highly oriented in the (110) orientation on the (111) oriented Al metal film. (110) On the highly oriented lower electrode 14, the piezoelectric film 15 is highly oriented in the c-axis which is the polarization direction of the piezoelectric crystal. Therefore, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 can be ensured.

次に、第1の実施の形態の第1の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法を、図12〜図16に示す工程断面図を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing a thin film piezoelectric element according to a first modification of the first embodiment will be described with reference to process cross-sectional views shown in FIGS.

図12に示すように、熱酸化等により、基板11の表面にSiO2等の絶縁膜32を約1μmの厚さで形成する。RFマグネトロンスパッタ等により、絶縁膜32の表面にAl0.4Ta0.6等の非晶質金属膜22を0.2μmの厚さで成膜する。 As shown in FIG. 12, an insulating film 32 such as SiO 2 is formed on the surface of the substrate 11 with a thickness of about 1 μm by thermal oxidation or the like. An amorphous metal film 22 such as Al 0.4 Ta 0.6 is formed to a thickness of 0.2 μm on the surface of the insulating film 32 by RF magnetron sputtering or the like.

RFマグネトロンスパッタ等により、Al等の金属層を約1μmの厚さで成膜する。図13に示すように、フォトリソグラフィ及び塩化物系ガスを使用したRIE等により、Al金属層を選択的に除去して犠牲層12aを形成する。   A metal layer of Al or the like is formed to a thickness of about 1 μm by RF magnetron sputtering or the like. As shown in FIG. 13, the sacrificial layer 12a is formed by selectively removing the Al metal layer by photolithography and RIE using a chloride gas.

RFマグネトロンスパッタ等により、Mo等の金属層を成膜する。図14に示すように、フォトリソグラフィ及びフッ化物系ガスを使用したRIE等により、Mo金属層を選択的に除去して下部電極14を形成する。   A metal layer such as Mo is formed by RF magnetron sputtering or the like. As shown in FIG. 14, the Mo metal layer is selectively removed to form the lower electrode 14 by photolithography and RIE using a fluoride gas.

反応性RFマグネトロンスパッタ等により、AlN等の圧電体層を約1.4μmの厚さで成膜する。図15に示すように、フォトリソグラフィ及び塩化物系ガスを使用したRIE等により、AlN圧電体層を選択的に除去して圧電膜15を形成する。更に、RFマグネトロンスパッタ等により、圧電膜15上にMo等の金属層を成膜する。フォトリソグラフィ及びRIE等により、Mo金属層を選択的に除去して上部電極16を形成する。   A piezoelectric layer such as AlN is formed to a thickness of about 1.4 μm by reactive RF magnetron sputtering or the like. As shown in FIG. 15, the piezoelectric film 15 is formed by selectively removing the AlN piezoelectric layer by photolithography and RIE using a chloride gas. Further, a metal layer such as Mo is formed on the piezoelectric film 15 by RF magnetron sputtering or the like. The upper electrode 16 is formed by selectively removing the Mo metal layer by photolithography, RIE, or the like.

図16に示すように、例えば約10%の濃度の塩酸等を用いたウェットエッチングにより、Al犠牲層が基板上に露出している部分(図示省略)から、犠牲層12aを選択的に除去して空洞17を形成する。このようにして、図11に示したように、空洞17上に下部電極14、圧電膜15及び上部電極16を有する共振部20が形成される。   As shown in FIG. 16, the sacrificial layer 12a is selectively removed from the portion where the Al sacrificial layer is exposed on the substrate (not shown), for example, by wet etching using hydrochloric acid having a concentration of about 10%. Thus, the cavity 17 is formed. Thus, as shown in FIG. 11, the resonance part 20 having the lower electrode 14, the piezoelectric film 15, and the upper electrode 16 is formed on the cavity 17.

第1の実施の形態の第1の変形例では、非晶質金属膜22上の犠牲層12aを高配向膜とすることにより、共振部20の周辺部でも高配向化した圧電膜15が形成される。その結果、空洞17上の全域で圧電膜15をc軸に高配向させて成膜することができ、圧電膜15の機械的強度を向上することが可能となる。   In the first modification of the first embodiment, the sacrificial layer 12a on the amorphous metal film 22 is made a highly oriented film, so that the highly oriented piezoelectric film 15 is formed even in the periphery of the resonance part 20. Is done. As a result, it is possible to form the piezoelectric film 15 with high orientation on the c-axis over the entire area of the cavity 17, and to improve the mechanical strength of the piezoelectric film 15.

このようにして製造された薄膜圧電素子の周波数特性が測定されている。例えば、共振周波数は2.1GHzである。また、薄膜圧電素子の共振特性より、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qが評価されている。例えば、電気機械結合係数は6.5%、品質係数Qは共振点で800、反共振点で750と、電気機械結合係数及び品質係数Qが向上している。このように、第1の実施の形態の第1の変形例に係る薄膜圧電素子の圧電膜15では、更に良好な圧電特性が実現されている。   The frequency characteristics of the thin film piezoelectric element thus manufactured are measured. For example, the resonance frequency is 2.1 GHz. Further, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 are evaluated from the resonance characteristics of the thin film piezoelectric element. For example, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q are improved by 6.5%, the quality factor Q is 800 at the resonance point, and 750 at the antiresonance point. As described above, in the piezoelectric film 15 of the thin film piezoelectric element according to the first modification of the first embodiment, even better piezoelectric characteristics are realized.

第1の実施の形態の第1の変形例によれば、エピタキシャル成長法等の高価で複雑な成長技術を用いることなく、圧電膜15をc軸に高配向させることができ、電気機械結合係数及び品質係数を向上させた薄膜圧電素子を実現できる。   According to the first modification of the first embodiment, the piezoelectric film 15 can be highly oriented in the c-axis without using an expensive and complicated growth technique such as an epitaxial growth method, and the electromechanical coupling coefficient and A thin film piezoelectric element with improved quality factor can be realized.

(第1の実施の形態の第2の変形例)
本発明の第1の実施の形態の第2の変形例に係る薄膜圧電素子は、図17に示すように、絶縁膜32表面に設けられた非晶質金属膜22と、非晶質金属膜22表面に設けられた配向性金属膜23とを有する下部電極14を備える。また、下部電極14、圧電膜15及び上部電極16は、空洞17aが設けられた基板11及び絶縁膜32により支持されている。共振部20は、空洞17a上に配置された下部電極14、圧電膜15及び上部電極16で規定される。空洞17aは、基板11の裏面から絶縁膜32に向かって開口幅が狭くなるような傾斜側壁を有する。
(Second modification of the first embodiment)
As shown in FIG. 17, the thin film piezoelectric element according to the second modification of the first embodiment of the present invention includes an amorphous metal film 22 provided on the surface of the insulating film 32, and an amorphous metal film. 22 includes a lower electrode 14 having an orientation metal film 23 provided on the surface. The lower electrode 14, the piezoelectric film 15, and the upper electrode 16 are supported by the substrate 11 and the insulating film 32 provided with a cavity 17a. The resonance unit 20 is defined by the lower electrode 14, the piezoelectric film 15, and the upper electrode 16 disposed on the cavity 17 a. The cavity 17 a has inclined side walls whose opening width becomes narrower from the back surface of the substrate 11 toward the insulating film 32.

下部電極14の非晶質金属膜22は、例えばAlTa等である。配向性金属膜23は、非晶質金属膜22の表面に垂直な方向に(111)配向したAl等の配向金属膜である。   The amorphous metal film 22 of the lower electrode 14 is, for example, AlTa. The oriented metal film 23 is an oriented metal film such as Al that is (111) oriented in a direction perpendicular to the surface of the amorphous metal film 22.

第1の実施の形態の第2の変形例では、絶縁膜32表面において、非晶質金属膜22及び配向性金属膜23を有する下部電極14が基板11及び絶縁膜32に設けられた空洞17a上に配置されている点が、第1の実施の形態及び第1の実施の形態の第1の変形例と異なる。他の構成は、第1の実施の形態及び第1の実施の形態の第1の変形例と同様であるので、重複する記載は省略する。 In the second modification of the first embodiment, on the surface of the insulating film 32, a cavity 17 a in which the lower electrode 14 having the amorphous metal film 22 and the oriented metal film 23 is provided in the substrate 11 and the insulating film 32. The point arranged above is different from the first embodiment and the first modification of the first embodiment. Other configurations are the same as those of the first embodiment and the first modification of the first embodiment, and thus redundant description is omitted.

第1の実施の形態の第2の変形例では、下部電極14の非晶質金属膜22上に、例えば(111)方位に配向したAl等の配向性金属膜23が設けられている。配向した配向性金属膜23上に設けられる圧電膜15をc軸に高配向させることができる。したがって、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qを確保することができる。また、下部電極14は、空洞17a全面を越えて絶縁膜32上に延在しているため、構造的に圧電膜15の機械的強度を向上させることができる。また、空洞17aの上方では、圧電膜15に下部電極14の端部による段差が形成されない。したがって、共振部20の近傍で、圧電膜15の配向性の劣化が防止され、薄膜圧電素子の共振特性において、スプリアス振動の発生を抑制することが可能となる。   In the second modification of the first embodiment, an orientation metal film 23 such as Al oriented in the (111) orientation is provided on the amorphous metal film 22 of the lower electrode 14. The piezoelectric film 15 provided on the oriented metal film 23 can be highly oriented along the c axis. Therefore, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 can be ensured. Further, since the lower electrode 14 extends over the insulating film 32 beyond the entire surface of the cavity 17a, the mechanical strength of the piezoelectric film 15 can be structurally improved. Further, no step due to the end of the lower electrode 14 is formed in the piezoelectric film 15 above the cavity 17a. Therefore, the deterioration of the orientation of the piezoelectric film 15 is prevented in the vicinity of the resonating portion 20, and the occurrence of spurious vibrations can be suppressed in the resonance characteristics of the thin film piezoelectric element.

次に、第1の実施の形態の第2の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法を、図18〜図21に示す工程断面図を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing a thin film piezoelectric element according to a second modification of the first embodiment will be described with reference to process cross-sectional views shown in FIGS.

図18に示すように、熱酸化等により、基板11の表面にSiO2等の絶縁膜32を1μmの厚さで形成する。RFマグネトロンスパッタ等により、Al0.4Ta0.6等の非晶質金属膜22を約0.2μmの厚さで成膜する。 As shown in FIG. 18, an insulating film 32 such as SiO 2 is formed to a thickness of 1 μm on the surface of the substrate 11 by thermal oxidation or the like. An amorphous metal film 22 such as Al 0.4 Ta 0.6 is formed to a thickness of about 0.2 μm by RF magnetron sputtering or the like.

図19に示すように、RFマグネトロンスパッタ等により、Al等の配向性金属膜23を成膜する。フォトリソグラフィ及び塩化物系ガスあるいはフッ化物系ガスを用いたRIE等により、配向性金属膜23及び非晶質金属膜22を選択的に除去して下部電極14を形成する。   As shown in FIG. 19, an orientation metal film 23 such as Al is formed by RF magnetron sputtering or the like. The lower electrode 14 is formed by selectively removing the oriented metal film 23 and the amorphous metal film 22 by photolithography and RIE using a chloride gas or a fluoride gas.

図20に示すように、反応性RFマグネトロンスパッタ等により、AlN等の圧電膜15を1.7μmの厚さで成膜する。フォトリソグラフィ及び塩化物系ガスを使用したRIE等により、圧電膜15を選択的に除去する。更に、RFマグネトロンスパッタ等により、圧電膜15上にAl等の金属層を成膜する。フォトリソグラフィ及びRIE等により、Al金属層を選択的に除去して上部電極16を形成する。   As shown in FIG. 20, a piezoelectric film 15 such as AlN is formed to a thickness of 1.7 μm by reactive RF magnetron sputtering or the like. The piezoelectric film 15 is selectively removed by photolithography or RIE using a chloride gas. Further, a metal layer such as Al is formed on the piezoelectric film 15 by RF magnetron sputtering or the like. The upper electrode 16 is formed by selectively removing the Al metal layer by photolithography, RIE, or the like.

フォトリソグラフィ及びエッチング等により、基板11の裏面の絶縁膜32を選択的に除去して、下部電極14の下方に基板11の裏面が露出した開口部を形成する。図21に示すように、異方性エッチング等により、裏面の開口部をマスクとして、露出した基板11を選択的に除去して開口部を形成する。フッ化アンモニウム(NH4F)溶液を用いたウェットエッチング等により、基板11の開口部を介して、下部電極14下の絶縁膜32を選択的に除去して空洞17aを形成する。このようにして、図17に示したように、空洞17a上に下部電極14、圧電膜15及び上部電極16を有する共振部20が形成される。 The insulating film 32 on the back surface of the substrate 11 is selectively removed by photolithography, etching, or the like to form an opening where the back surface of the substrate 11 is exposed below the lower electrode 14. As shown in FIG. 21, the exposed substrate 11 is selectively removed by anisotropic etching or the like using the opening on the back surface as a mask to form the opening. The cavity 17a is formed by selectively removing the insulating film 32 under the lower electrode 14 through the opening of the substrate 11 by wet etching using an ammonium fluoride (NH 4 F) solution. In this way, as shown in FIG. 17, the resonance part 20 having the lower electrode 14, the piezoelectric film 15, and the upper electrode 16 is formed on the cavity 17a.

第1の実施の形態の第2の変形例では、絶縁膜32表面に平坦な非晶質金属膜22が成膜される。平坦な非晶質金属膜22表面には、Al等の配向性金属膜23を(111)方位に高配向させて成膜することができる。その結果、圧電膜15をc軸に高配向させて成膜することが可能となる。また、下部電極14が空洞17aを覆うように形成されているため、圧電膜15の機械的強度を向上させることができる。また、下部電極14の端部は、空洞17aの上方の領域からはずれている。したがって、空洞17aの上方で圧電膜15を高配向で均一に成膜することが可能となる。   In the second modification of the first embodiment, a flat amorphous metal film 22 is formed on the surface of the insulating film 32. On the surface of the flat amorphous metal film 22, an oriented metal film 23 such as Al can be formed with a high orientation in the (111) direction. As a result, the piezoelectric film 15 can be formed with high orientation on the c-axis. Further, since the lower electrode 14 is formed so as to cover the cavity 17a, the mechanical strength of the piezoelectric film 15 can be improved. Further, the end of the lower electrode 14 deviates from the region above the cavity 17a. Therefore, the piezoelectric film 15 can be uniformly formed with high orientation above the cavity 17a.

このようにして製造された薄膜圧電素子の周波数特性が測定されている。例えば、共振周波数は2.1GHzである。また、薄膜圧電素子の共振特性より、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qが評価されている。例えば、電気機械結合係数は6.8%、品質係数Qは共振点で950、反共振点で900と、電気機械結合係数及び品質係数Qが向上している。このように、第1の実施例の第3の変形例に係る薄膜圧電素子の圧電膜15では、良好な圧電特性が実現されている。   The frequency characteristics of the thin film piezoelectric element thus manufactured are measured. For example, the resonance frequency is 2.1 GHz. Further, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 are evaluated from the resonance characteristics of the thin film piezoelectric element. For example, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q are improved to 6.8%, the quality factor Q is 950 at the resonance point, and 900 at the antiresonance point. Thus, good piezoelectric characteristics are realized in the piezoelectric film 15 of the thin film piezoelectric element according to the third modification of the first embodiment.

第1の実施の形態の第2の変形例によれば、エピタキシャル成長法等の高価で複雑な成長技術を用いることなく、圧電膜15をc軸に高配向させることができ、電気機械結合係数及び品質係数を向上させた薄膜圧電素子を実現できる。   According to the second modification of the first embodiment, the piezoelectric film 15 can be highly oriented in the c-axis without using an expensive and complicated growth technique such as an epitaxial growth method, and the electromechanical coupling coefficient and A thin film piezoelectric element with improved quality factor can be realized.

(第1の実施の形態の第3の変形例)
本発明の第1の実施の形態の第3の変形例に係る薄膜圧電素子は、図22に示すように、絶縁膜32表面に設けられた非晶質金属膜22と、非晶質金属膜22表面に設けられた配向性金属膜23とを有する下部電極14を備える。また、下部電極14、圧電膜15及び上部電極16は、空洞17bを有する基板11及び絶縁膜32により支持されている。共振部20は、空洞17b上に配置された下部電極14、圧電膜15及び上部電極16で規定される。空洞17bは、基板11の裏面から絶縁膜32に向かって、ほぼ垂直な側壁を有する。
(Third modification of the first embodiment)
As shown in FIG. 22, a thin film piezoelectric element according to a third modification of the first embodiment of the present invention includes an amorphous metal film 22 provided on the surface of the insulating film 32, and an amorphous metal film. 22 includes a lower electrode 14 having an orientation metal film 23 provided on the surface. The lower electrode 14, the piezoelectric film 15, and the upper electrode 16 are supported by the substrate 11 having the cavity 17b and the insulating film 32. The resonance unit 20 is defined by the lower electrode 14, the piezoelectric film 15, and the upper electrode 16 disposed on the cavity 17 b. The cavity 17 b has substantially vertical sidewalls from the back surface of the substrate 11 toward the insulating film 32.

下部電極14の非晶質金属膜22は、例えばAlTa等である。配向性金属膜23は、非晶質金属膜22の表面に垂直な方向に(111)配向したPt等の配向金属膜である。   The amorphous metal film 22 of the lower electrode 14 is, for example, AlTa. The oriented metal film 23 is an oriented metal film such as Pt that is (111) oriented in a direction perpendicular to the surface of the amorphous metal film 22.

第1の実施の形態の第3の変形例では、絶縁膜32表面において、非晶質金属膜22及び配向性金属膜23を有する下部電極14が基板11及び絶縁膜32に設けられた空洞17b上に配置されている点が、第1の実施の形態の第2の変形例と異なる。他の構成は、第1の実施の形態の第2の変形例と同様であるので、重複する記載は省略する。 In the third modification of the first embodiment, on the surface of the insulating film 32, the cavity 17 b in which the lower electrode 14 having the amorphous metal film 22 and the oriented metal film 23 is provided in the substrate 11 and the insulating film 32. The point arrange | positioned above differs from the 2nd modification of 1st Embodiment. Other configurations are the same as those of the second modification example of the first embodiment, and thus redundant description is omitted.

第1の実施の形態の第3の変形例では、下部電極14の非晶質金属膜22上に、例えば(111)方位に配向したPt等の配向性金属膜23が設けられている。配向した配向性金属膜23上に設けられる圧電膜15をc軸に高配向させることができる。したがって、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qを確保することができる。また、下部電極14は、空洞17b全面を越えて絶縁膜32上に延在しているため、構造的に圧電膜15の機械的強度を向上させることができる。また、空洞17bの上方では、圧電膜15に下部電極14の端部による段差が形成されない。したがって、共振部20の近傍で、圧電膜15の配向性の劣化が防止され、薄膜圧電素子の共振特性において、スプリアス振動の発生を抑制することが可能となる。   In the third modification of the first embodiment, an orientation metal film 23 such as Pt oriented in the (111) orientation is provided on the amorphous metal film 22 of the lower electrode 14. The piezoelectric film 15 provided on the oriented metal film 23 can be highly oriented along the c axis. Therefore, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 can be ensured. Further, since the lower electrode 14 extends over the insulating film 32 beyond the entire surface of the cavity 17b, the mechanical strength of the piezoelectric film 15 can be structurally improved. Further, no step due to the end of the lower electrode 14 is formed in the piezoelectric film 15 above the cavity 17b. Therefore, the deterioration of the orientation of the piezoelectric film 15 is prevented in the vicinity of the resonating portion 20, and the occurrence of spurious vibrations can be suppressed in the resonance characteristics of the thin film piezoelectric element.

次に、第1の実施の形態の第3の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法を、図23〜図26に示す工程断面図を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing a thin film piezoelectric element according to a third modification of the first embodiment will be described with reference to process cross-sectional views shown in FIGS.

図23に示すように、熱酸化等により、基板11の表面にSiO2等の絶縁膜32を1μmの厚さで形成する。RFマグネトロンスパッタ等により、Al0.4Ta0.6等の非晶質金属膜22を約0.2μmの厚さで成膜する。 As shown in FIG. 23, an insulating film 32 such as SiO 2 is formed to a thickness of 1 μm on the surface of the substrate 11 by thermal oxidation or the like. An amorphous metal film 22 such as Al 0.4 Ta 0.6 is formed to a thickness of about 0.2 μm by RF magnetron sputtering or the like.

RFマグネトロンスパッタ等によりPt等の金属層を成膜する。図24に示すように、フォトリソグラフィ及び塩素物系ガスあるいはフッ化物系ガスを使用したRIE等により、金属層及び非晶質金属膜22を選択的に除去して下部電極14を形成する。   A metal layer such as Pt is formed by RF magnetron sputtering or the like. As shown in FIG. 24, the lower electrode 14 is formed by selectively removing the metal layer and the amorphous metal film 22 by photolithography and RIE using a chlorine-based gas or a fluoride-based gas.

反応性RFマグネトロンスパッタ等により、AlN等の圧電体層を1.7μmの厚さで成膜する。図25に示すように、フォトリソグラフィ及び塩化物系ガスを使用したRIE等により、AlN圧電体層を選択的に除去して圧電膜15を形成する。更に、RFマグネトロンスパッタ等により、圧電膜15上にPt等の金属層を成膜する。フォトリソグラフィ及びRIE等により、Pt金属層を選択的に除去して上部電極16を形成する。   A piezoelectric layer such as AlN is formed to a thickness of 1.7 μm by reactive RF magnetron sputtering or the like. As shown in FIG. 25, the piezoelectric film 15 is formed by selectively removing the AlN piezoelectric layer by photolithography, RIE using a chloride gas, or the like. Further, a metal layer such as Pt is formed on the piezoelectric film 15 by RF magnetron sputtering or the like. The upper electrode 16 is formed by selectively removing the Pt metal layer by photolithography, RIE, or the like.

基板11の裏面の絶縁膜32から基板11の厚さが約200μmとなるまで研磨する。図26に示すように、フォトリソグラフィ及びフッ化物系ガスを用いたRIE等により、基板11を選択的に且つ垂直に除去して開口部を形成する。NH4F溶液を用いたウェットエッチング等により、基板11の開口部を介して、下部電極14下の絶縁膜32を選択的に除去して空洞17bを形成する。このようにして、図22に示したように、空洞17b上に下部電極14、圧電膜15及び上部電極16を有する共振部20が形成される。 Polishing is performed from the insulating film 32 on the back surface of the substrate 11 until the thickness of the substrate 11 becomes about 200 μm. As shown in FIG. 26, the substrate 11 is selectively and vertically removed by photolithography and RIE using a fluoride gas to form an opening. The cavity 17b is formed by selectively removing the insulating film 32 under the lower electrode 14 through the opening of the substrate 11 by wet etching using an NH 4 F solution or the like. In this way, as shown in FIG. 22, the resonance part 20 having the lower electrode 14, the piezoelectric film 15, and the upper electrode 16 is formed on the cavity 17b.

第1の実施の形態の第3の変形例では、絶縁膜32表面に平坦な非晶質金属膜22が成膜される。平坦な非晶質金属膜22表面には、Pt等の配向性金属膜23を(111)方位に高配向させて成膜することができる。その結果、圧電膜15をc軸に高配向させて成膜することが可能となる。また、下部電極14が空洞17bを覆うように形成されているため、圧電膜15の機械的強度を向上させることができる。また、下部電極14の端部は、空洞17bの上方の領域からはずれている。したがって、空洞17bの上方で圧電膜15を高配向で均一に成膜することが可能となる。   In the third modification of the first embodiment, a flat amorphous metal film 22 is formed on the surface of the insulating film 32. On the surface of the flat amorphous metal film 22, an oriented metal film 23 such as Pt can be formed with a high orientation in the (111) direction. As a result, the piezoelectric film 15 can be formed with high orientation on the c-axis. Moreover, since the lower electrode 14 is formed so as to cover the cavity 17b, the mechanical strength of the piezoelectric film 15 can be improved. Further, the end of the lower electrode 14 deviates from the region above the cavity 17b. Therefore, the piezoelectric film 15 can be uniformly formed with high orientation above the cavity 17b.

このようにして製造された薄膜圧電素子の周波数特性が測定されている。例えば、共振周波数は2.1GHzである。また、薄膜圧電素子の共振特性より、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qが評価されている。例えば、電気機械結合係数は6.7%、品質係数Qは共振点で900、反共振点で950と、電気機械結合係数及び品質係数Qが向上している。このように、第1の実施の形態の第3の変形例に係る薄膜圧電素子の圧電膜15では、良好な圧電特性が実現されている。   The frequency characteristics of the thin film piezoelectric element thus manufactured are measured. For example, the resonance frequency is 2.1 GHz. Further, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 are evaluated from the resonance characteristics of the thin film piezoelectric element. For example, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q are improved to 6.7%, the quality factor Q is 900 at the resonance point, and 950 at the antiresonance point. Thus, good piezoelectric characteristics are realized in the piezoelectric film 15 of the thin film piezoelectric element according to the third modification of the first embodiment.

第1の実施の形態の第3の変形例によれば、エピタキシャル成長法等の高価で複雑な成長技術を用いることなく、圧電膜15をc軸に高配向させることができ、電気機械結合係数及び品質係数を向上させた薄膜圧電素子を実現できる。   According to the third modification of the first embodiment, the piezoelectric film 15 can be highly oriented in the c-axis without using an expensive and complicated growth technique such as an epitaxial growth method, and the electromechanical coupling coefficient and A thin film piezoelectric element with improved quality factor can be realized.

(第1の実施の形態の第4の変形例)
本発明の第1の実施の形態の第4の変形例に係る薄膜圧電素子は、図27に示すように、基板11に設けられた空洞17上に延在する非晶質金属膜22と、非晶質金属膜22表面に設けられた配向性金属膜23とを有する下部電極14を備える。共振部20は、空洞17上に配置され、対向する下部及び上部電極14、16と、下部及び上部電極14、16の間の圧電膜15で規定される。
(Fourth modification of the first embodiment)
As shown in FIG. 27, a thin film piezoelectric element according to a fourth modification of the first embodiment of the present invention includes an amorphous metal film 22 extending on a cavity 17 provided in the substrate 11, A lower electrode 14 having an orientation metal film 23 provided on the surface of the amorphous metal film 22 is provided. The resonance unit 20 is disposed on the cavity 17 and is defined by the opposed lower and upper electrodes 14 and 16 and the piezoelectric film 15 between the lower and upper electrodes 14 and 16.

下部電極14の非晶質金属膜22は、例えばAlTa等である。配向性金属膜23は、非晶質金属膜22の表面に垂直な方向に(111)配向したPt等の配向金属膜である。   The amorphous metal film 22 of the lower electrode 14 is, for example, AlTa. The oriented metal film 23 is an oriented metal film such as Pt that is (111) oriented in a direction perpendicular to the surface of the amorphous metal film 22.

第1の実施の形態の第4の変形例では、下部電極14の一端が、基板11に設けられた空洞17上に配置されている点が、第1の実施の形態の第2及び第3の変形例と異なる。他の構成は、第1の実施の形態の第2及び第3の変形例と同様であるので、重複する記載は省略する。   In the fourth modification of the first embodiment, one end of the lower electrode 14 is disposed on the cavity 17 provided in the substrate 11, and the second and third of the first embodiment are the same. This is different from the modified example. Other configurations are the same as those of the second and third modifications of the first embodiment, and thus redundant description is omitted.

第1の実施の形態の第4の変形例では、下部電極14の非晶質金属膜22上に、例えば(111)方位に配向したPt等の配向性金属膜23が設けられている。配向した配向性金属膜23上に設けられる圧電膜15をc軸に高配向させることができる。したがって、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qを確保することができる。また、下部電極14の一端が、空洞17上に配置されているため、共振部20以外の領域で、圧電膜15が下部及び上部電極14、16で挟まれたキャパシタ構造の形成が抑制される。したがって、薄膜圧電素子の高周波数帯域での共振特性の劣化を抑制することが可能となる。   In the fourth modification of the first embodiment, an orientation metal film 23 such as Pt oriented in the (111) orientation is provided on the amorphous metal film 22 of the lower electrode 14. The piezoelectric film 15 provided on the oriented metal film 23 can be highly oriented along the c axis. Therefore, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 can be ensured. In addition, since one end of the lower electrode 14 is disposed on the cavity 17, formation of a capacitor structure in which the piezoelectric film 15 is sandwiched between the lower and upper electrodes 14 and 16 in a region other than the resonance portion 20 is suppressed. . Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the resonance characteristics in the high frequency band of the thin film piezoelectric element.

次に、第1の実施の形態の第4の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法を、図28〜図33に示す工程断面図を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing a thin film piezoelectric element according to a fourth modification of the first embodiment will be described with reference to process cross-sectional views shown in FIGS.

図28に示すように、フォトリソグラフィ及びフッ化物系ガスを用いたRIE等により、基板11を選択的に除去して深さが約1μmの開口部27を形成する。   As shown in FIG. 28, the substrate 11 is selectively removed by photolithography and RIE using a fluoride-based gas to form an opening 27 having a depth of about 1 μm.

図29に示すように、プラズマ化学気相成長法(CVD)等により、開口部27を有する基板11の表面にSiO2等の犠牲層12を約1.2μmの厚さで成膜する。図30に示すように、化学機械研磨(CMP)等により、基板11の表面が露出するように犠牲層12を平坦化研磨する。なお、犠牲層12として、ゲルマニウム(Ge)及びpoly−Si等の半導体、Mo、Al及びW等の金属、あるいはBPSG及びSi34等の絶縁体等が使用可能である。 As shown in FIG. 29, a sacrificial layer 12 such as SiO 2 is formed to a thickness of about 1.2 μm on the surface of the substrate 11 having the opening 27 by plasma enhanced chemical vapor deposition (CVD) or the like. As shown in FIG. 30, the sacrificial layer 12 is planarized and polished by chemical mechanical polishing (CMP) or the like so that the surface of the substrate 11 is exposed. As the sacrificial layer 12, a semiconductor such as germanium (Ge) and poly-Si, a metal such as Mo, Al, and W, or an insulator such as BPSG and Si 3 N 4 can be used.

図31に示すように、RFマグネトロンスパッタ等により、犠牲層12が埋め込まれた基板11の表面にAl0.4Ta0.6等の非晶質金属膜22を0.2μmの厚さで成膜する。RFマグネトロンスパッタ等により、Pt等の配向性金属膜23を成膜する。フォトリソグラフィ及び塩化物系ガスあるいは塩化物系ガスを用いたRIE等により、配向性金属膜23及び非晶質金属膜22を選択的に除去して下部電極14を形成する。 As shown in FIG. 31, an amorphous metal film 22 such as Al 0.4 Ta 0.6 is formed to a thickness of 0.2 μm on the surface of the substrate 11 with the sacrificial layer 12 embedded by RF magnetron sputtering or the like. An oriented metal film 23 such as Pt is formed by RF magnetron sputtering or the like. The lower electrode 14 is formed by selectively removing the oriented metal film 23 and the amorphous metal film 22 by photolithography and RIE using a chloride gas or a chloride gas.

図32に示すように、反応性RFマグネトロンスパッタ等により、AlN等の圧電膜15を1.7μmの厚さで成膜する。フォトリソグラフィ及び塩化物系ガスを使用したRIE等により、圧電膜15を選択的に除去する。更に、RFマグネトロンスパッタ等により、圧電膜15上にIr等の金属層を成膜する。フォトリソグラフィ及びフッ化物系ガスを用いたRIE等により、Ir金属層を選択的に除去して上部電極16を形成する。   As shown in FIG. 32, a piezoelectric film 15 such as AlN is formed to a thickness of 1.7 μm by reactive RF magnetron sputtering or the like. The piezoelectric film 15 is selectively removed by photolithography or RIE using a chloride gas. Further, a metal layer such as Ir is formed on the piezoelectric film 15 by RF magnetron sputtering or the like. The upper electrode 16 is formed by selectively removing the Ir metal layer by photolithography and RIE using a fluoride gas.

フォトリソグラフィ及び塩化物系ガスを使用したRIE等により、犠牲層12の一部が露出するようにビアホール(図示省略)を形成する。図33に示すように、NH4F溶液を用いたウェットエッチング等により、ビアホールから選択的に犠牲層12を溶解して空洞17を形成する。 Via holes (not shown) are formed by photolithography and RIE using a chloride gas so that a part of the sacrificial layer 12 is exposed. As shown in FIG. 33, the sacrificial layer 12 is selectively dissolved from the via hole by wet etching using an NH 4 F solution or the like to form the cavity 17.

第1の実施の形態の第4の変形例では、犠牲層12が埋め込まれて平坦化された基板11表面に平坦な非晶質金属膜22が成膜される。平坦な非晶質金属膜22表面には、Pt等の配向性金属膜23を(111)方位に高配向させて成膜することができる。その結果、圧電膜15をc軸に高配向させて成膜することが可能となる。また、下部電極14の端部は、空洞17の上方の領域からはずれている。したがって、空洞17の上方で圧電膜15を高配向で均一に成膜することが可能となる。   In the fourth modification of the first embodiment, a flat amorphous metal film 22 is formed on the surface of the substrate 11 that is flattened with the sacrificial layer 12 embedded therein. On the surface of the flat amorphous metal film 22, an oriented metal film 23 such as Pt can be formed with a high orientation in the (111) direction. As a result, the piezoelectric film 15 can be formed with high orientation on the c-axis. Further, the end of the lower electrode 14 deviates from the region above the cavity 17. Therefore, the piezoelectric film 15 can be uniformly formed with high orientation above the cavity 17.

このようにして製造された薄膜圧電素子の周波数特性が測定されている。例えば、共振周波数は2.1GHzである。また、薄膜圧電素子の共振特性より、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qが評価されている。例えば、電気機械結合係数は6.9%、品質係数Qは共振点で1100、反共振点で1150と、電気機械結合係数及び品質係数Qが向上している。このように、第1の実施の形態の第4の変形例に係る薄膜圧電素子の圧電膜15では、良好な圧電特性が実現されている。   The frequency characteristics of the thin film piezoelectric element thus manufactured are measured. For example, the resonance frequency is 2.1 GHz. Further, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 are evaluated from the resonance characteristics of the thin film piezoelectric element. For example, the electromechanical coupling factor and the quality factor Q are 6.9%, the quality factor Q is 1100 at the resonance point, and 1150 at the antiresonance point. Thus, good piezoelectric characteristics are realized in the piezoelectric film 15 of the thin film piezoelectric element according to the fourth modification of the first embodiment.

第1の実施の形態の第4の変形例によれば、エピタキシャル成長法等の高価で複雑な成長技術を用いることなく、圧電膜15をc軸に高配向させることができ、電気機械結合係数及び品質係数を向上させた薄膜圧電素子を実現できる。   According to the fourth modification of the first embodiment, the piezoelectric film 15 can be highly oriented in the c-axis without using an expensive and complicated growth technique such as an epitaxial growth method, and the electromechanical coupling coefficient and A thin film piezoelectric element with improved quality factor can be realized.

(第1の実施の形態の第5の変形例)
本発明の第1の実施の形態の第5の変形例に係る薄膜圧電素子では、図34に示すように、基板11上に設けられた音響反射層38上に下部電極14、圧電膜15及び上部電極16が配置される。共振部20は、音響反射層38上で、対向する下部及び上部電極14、16と、下部及び上部電極14、16の間の圧電膜15で規定される。
(Fifth modification of the first embodiment)
In the thin film piezoelectric element according to the fifth modification of the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 34, the lower electrode 14, the piezoelectric film 15 and the piezoelectric film 15 are formed on the acoustic reflection layer 38 provided on the substrate 11. An upper electrode 16 is disposed. The resonance unit 20 is defined by the lower and upper electrodes 14 and 16 facing each other on the acoustic reflection layer 38 and the piezoelectric film 15 between the lower and upper electrodes 14 and 16.

音響反射層38において、高音響インピーダンスを有する第1の音響インピーダンス層36a、36b、及び低音響インピーダンスを有する第2の音響インピーダンス層37a、37bが交互に積層されている。第1及び第2の音響インピーダンス層36a、37a、36b、37bそれぞれの膜厚は、共振部20で励振されたバルク音響波の波長の約1/4の厚さである。音響波の波長の約1/4の厚さで周期的に配置された第1及び第2の音響インピーダンス層36a、37a、36b、37bにより、バルク音響波が反射される。音響インピーダンスは、材料の密度及び弾性定数で決定される。例えば、高音響インピーダンスを有する材料として、AlN、酸化タンタル(Ta25)、Al23等の絶縁体、及びW、Mo、Pt、Ir、Ru、ロジウム(Rh)、Ta等の金属が好適である。低音響インピーダンスを有する材料として、SiO2、Si34等の絶縁体、Si等の半導体、及びAl、チタン(Ti)等の金属が好適である。 In the acoustic reflection layer 38, the first acoustic impedance layers 36a and 36b having a high acoustic impedance and the second acoustic impedance layers 37a and 37b having a low acoustic impedance are alternately laminated. The film thickness of each of the first and second acoustic impedance layers 36 a, 37 a, 36 b, and 37 b is about ¼ of the wavelength of the bulk acoustic wave excited by the resonance unit 20. The bulk acoustic wave is reflected by the first and second acoustic impedance layers 36a, 37a, 36b, and 37b that are periodically arranged with a thickness of about ¼ of the wavelength of the acoustic wave. The acoustic impedance is determined by the density and elastic constant of the material. For example, as a material having high acoustic impedance, insulators such as AlN, tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), Al 2 O 3 , and metals such as W, Mo, Pt, Ir, Ru, rhodium (Rh), and Ta Is preferred. As materials having low acoustic impedance, insulators such as SiO 2 and Si 3 N 4 , semiconductors such as Si, and metals such as Al and titanium (Ti) are suitable.

なお、音響反射層38には、第1及び第2の音響インピーダンス層36a、36b、37a、37bが積層されている。しかし、音響反射層38の積層数は、限定されない。使用する材料により、最も品質係数Qを向上させるように、積層数を定めればよい。   The acoustic reflection layer 38 is laminated with first and second acoustic impedance layers 36a, 36b, 37a, 37b. However, the number of stacked acoustic reflection layers 38 is not limited. The number of layers may be determined so as to improve the quality factor Q most depending on the material to be used.

第1の実施の形態の第5の変形例では、共振部20が、基板11上の音響反射層38上に配置されている点が、第1の実施の形態の第4の変形例と異なる。他の構成は、第1の実施の形態の第4の変形例と同様であるので、重複する記載は省略する。   The fifth modification example of the first embodiment differs from the fourth modification example of the first embodiment in that the resonance unit 20 is disposed on the acoustic reflection layer 38 on the substrate 11. . Other configurations are the same as those of the fourth modified example of the first embodiment, and thus redundant description is omitted.

第1の実施の形態の第5の変形例では、共振部20下に設けられた音響反射層38により、圧電膜15で励振された圧電振動が反射されて共振部20内に効率よく閉じ込められる。したがって、共振部20の共振特性の劣化を抑制することができる。また、下部電極14の非晶質金属膜22上に、配向した配向性金属膜23が設けられている。配向した配向性金属膜23上に設けられる圧電膜15をc軸に高配向させることができる。したがって、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qを確保することができる。下部電極14は、平坦な音響反射層38上に配置されているため、構造的に圧電膜15の機械的強度を向上させることができる。   In the fifth modification of the first embodiment, the piezoelectric vibration excited by the piezoelectric film 15 is reflected and efficiently confined in the resonance unit 20 by the acoustic reflection layer 38 provided under the resonance unit 20. . Therefore, deterioration of the resonance characteristics of the resonance unit 20 can be suppressed. In addition, an oriented metal film 23 is provided on the amorphous metal film 22 of the lower electrode 14. The piezoelectric film 15 provided on the oriented metal film 23 can be highly oriented along the c axis. Therefore, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 can be ensured. Since the lower electrode 14 is disposed on the flat acoustic reflection layer 38, the mechanical strength of the piezoelectric film 15 can be structurally improved.

次に、第1の実施の形態の第5の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法を、図35〜図38に示す工程断面図を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing a thin film piezoelectric element according to a fifth modification of the first embodiment will be described with reference to process cross-sectional views shown in FIGS.

図35に示すように、スパッタあるいはCVD等により、基板11の表面に順次、第1の音響インピーダンス層36a、第2の音響インピーダンス層37a、第1の音響インピーダンス層36b、及び第2の音響インピーダンス層37bを成膜して、音響反射層38を形成する。音響反射層38の表面の平坦性を確保するために、CMP等により、音響反射層38の表面を平坦化してもよい。なお、少なくとも最上層の第2の音響インピーダンス層37bには、絶縁体を用いることが望ましい。   As shown in FIG. 35, the first acoustic impedance layer 36a, the second acoustic impedance layer 37a, the first acoustic impedance layer 36b, and the second acoustic impedance are sequentially formed on the surface of the substrate 11 by sputtering or CVD. The layer 37b is formed, and the acoustic reflection layer 38 is formed. In order to ensure the flatness of the surface of the acoustic reflection layer 38, the surface of the acoustic reflection layer 38 may be planarized by CMP or the like. It is desirable to use an insulator for at least the second acoustic impedance layer 37b as the uppermost layer.

図36に示すように、DCマグネトロンスパッタ等により、音響反射層38の表面にAl0.5Ta0.5等の非晶質金属膜22を約20nmの厚さで成膜する。引き続き、DCマグネトロンスパッタ等により、Ni等の配向性金属膜23を約250nmの厚さで成膜する。フォトリソグラフィ及びエッチング等により、配向性金属膜23及び非晶質金属膜22を選択的に除去して下部電極14を形成する。 As shown in FIG. 36, an amorphous metal film 22 of Al 0.5 Ta 0.5 or the like is formed to a thickness of about 20 nm on the surface of the acoustic reflection layer 38 by DC magnetron sputtering or the like. Subsequently, an oriented metal film 23 of Ni or the like is formed to a thickness of about 250 nm by DC magnetron sputtering or the like. The lower electrode 14 is formed by selectively removing the oriented metal film 23 and the amorphous metal film 22 by photolithography, etching, or the like.

図37に示すように、反応性RFマグネトロンスパッタ等により、AlN等の圧電体層を約2μmの厚さで成膜する。フォトリソグラフィ及び塩化物系ガスを使用したRIE等により、圧電体層を選択的に除去して圧電膜15を形成する。   As shown in FIG. 37, a piezoelectric layer such as AlN is formed to a thickness of about 2 μm by reactive RF magnetron sputtering or the like. The piezoelectric film 15 is formed by selectively removing the piezoelectric layer by photolithography and RIE using a chloride gas.

図38に示すように、DCマグネトロンスパッタ等により、圧電膜15上にMo等の金属層を成膜する。フォトリソグラフィ及びウェットエッチング等により、Mo金属層を選択的に除去して上部電極16を形成する。   As shown in FIG. 38, a metal layer such as Mo is formed on the piezoelectric film 15 by DC magnetron sputtering or the like. The upper electrode 16 is formed by selectively removing the Mo metal layer by photolithography, wet etching, or the like.

なお、非晶質金属膜22表面に成膜されたNi配向性金属膜23の配向性が、XRDにより測定されている。測定結果、Ni配向性金属膜23は、(111)方位に配向半値幅が約0.7°で高配向していることが確認されている。   Note that the orientation of the Ni-oriented metal film 23 formed on the surface of the amorphous metal film 22 is measured by XRD. As a result of the measurement, it is confirmed that the Ni-oriented metal film 23 is highly oriented in the (111) orientation with an orientation half-value width of about 0.7 °.

第1の実施の形態の第5の変形例では、平坦な音響反射層38表面に平坦な非晶質金属膜22が成膜される。平坦な非晶質金属膜22表面には、Ni等の配向性金属膜23を(111)方位に高配向させて成膜することができる。その結果、圧電膜15をc軸に高配向させて成膜することが可能となる。また、下部電極14は、平坦な音響反射層38上に形成されているため、構造的に圧電膜15の機械的強度を向上させることができる。   In the fifth modification of the first embodiment, a flat amorphous metal film 22 is formed on the surface of the flat acoustic reflection layer 38. On the surface of the flat amorphous metal film 22, an oriented metal film 23 such as Ni can be formed with a high orientation in the (111) direction. As a result, the piezoelectric film 15 can be formed with high orientation on the c-axis. Further, since the lower electrode 14 is formed on the flat acoustic reflection layer 38, the mechanical strength of the piezoelectric film 15 can be structurally improved.

このようにして製造された薄膜圧電素子の周波数特性が測定されている。例えば、共振周波数は約2GHzである。また、薄膜圧電素子の共振特性より、圧電膜15の電気機械結合係数及び品質係数Qが評価されている。例えば、電気機械結合係数は約6.5%〜約6.7%、品質係数Qは共振点で約900〜約1000、反共振点で約800〜約900と、電気機械結合係数及び品質係数Qが向上している。このように、第1の実施の形態の第5の変形例に係る薄膜圧電素子の圧電膜15では、良好な圧電特性が実現されている。   The frequency characteristics of the thin film piezoelectric element thus manufactured are measured. For example, the resonance frequency is about 2 GHz. Further, the electromechanical coupling coefficient and the quality factor Q of the piezoelectric film 15 are evaluated from the resonance characteristics of the thin film piezoelectric element. For example, the electromechanical coupling coefficient is about 6.5% to about 6.7%, the quality factor Q is about 900 to about 1000 at the resonance point, and about 800 to about 900 at the antiresonance point. Q is improving. Thus, good piezoelectric characteristics are realized in the piezoelectric film 15 of the thin film piezoelectric element according to the fifth modification of the first embodiment.

第1の実施の形態の第5の変形例によれば、エピタキシャル成長法等の高価で複雑な成長技術を用いることなく、圧電膜15をc軸に高配向させることができ、電気機械結合係数及び品質係数を向上させた薄膜圧電素子を実現できる。   According to the fifth modification of the first embodiment, the piezoelectric film 15 can be highly oriented in the c-axis without using an expensive and complicated growth technique such as an epitaxial growth method, and the electromechanical coupling coefficient and A thin film piezoelectric element with improved quality factor can be realized.

(第1の実施の形態の応用例)
本発明の第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子の応用例として、携帯電話システム等で用いられる周波数シンセサイザの基準周波数を発生する位相ロックドループ(PLL)回路について説明する。
(Application example of the first embodiment)
As an application example of the thin film piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention, a phase locked loop (PLL) circuit that generates a reference frequency of a frequency synthesizer used in a mobile phone system or the like will be described.

図39に示すように、PLL回路は、周波数可変フィルタ130、増幅器131およびバッファ増幅器132からなるVCO141と、分周器142と、位相比較器143と、チャージポンプ144と、ループフィルタ145と、低雑音アンプ(LNA)146と、周波数可変フィルタ130aと、ミキサ147とを備えている。   As shown in FIG. 39, the PLL circuit includes a VCO 141 including a frequency variable filter 130, an amplifier 131, and a buffer amplifier 132, a frequency divider 142, a phase comparator 143, a charge pump 144, a loop filter 145, A noise amplifier (LNA) 146, a frequency variable filter 130a, and a mixer 147 are provided.

VCO141は、図40に示すように、周波数可変フィルタ130を通過した周波数成分のみを増幅器131の入力にフィードバックする。VCO141には、複数の薄膜圧電素子120a、120b、120c、及び120d、容量可変キャパシタC1、C2が用いられている。薄膜圧電素子120a〜120dには、第1の実施の形態、及び第1の実施の形態の第1〜第7の変形例に係る薄膜圧電素子が用いられる。   As shown in FIG. 40, the VCO 141 feeds back only the frequency component that has passed through the frequency variable filter 130 to the input of the amplifier 131. The VCO 141 uses a plurality of thin film piezoelectric elements 120a, 120b, 120c and 120d, and variable capacitance capacitors C1 and C2. The thin film piezoelectric elements according to the first embodiment and the first to seventh modifications of the first embodiment are used for the thin film piezoelectric elements 120a to 120d.

例えば、図41に示すように、周波数可変フィルタ130において、薄膜圧電素子120a、120bは、入力側から出力側に直列に接続される。薄膜圧電素子120c、120dは、直列接続された薄膜圧電素子120a、120bのそれぞれの出力側から共通線に、並列に接続される。   For example, as shown in FIG. 41, in the frequency variable filter 130, the thin film piezoelectric elements 120a and 120b are connected in series from the input side to the output side. The thin film piezoelectric elements 120c and 120d are connected in parallel from the respective output sides of the thin film piezoelectric elements 120a and 120b connected in series to a common line.

例えば、図42に示すように、入力配線122に接続された薄膜圧電素子120aが、接続線126を介して、出力配線124に接続された薄膜圧電素子120bに直列に接続される。接続配線126に接続された薄膜圧電素子120cが、共通配線128に接続される。出力配線124に接続された薄膜圧電素子120dが、共通配線128に接続される。   For example, as shown in FIG. 42, the thin film piezoelectric element 120 a connected to the input wiring 122 is connected in series to the thin film piezoelectric element 120 b connected to the output wiring 124 via the connection line 126. The thin film piezoelectric element 120 c connected to the connection wiring 126 is connected to the common wiring 128. The thin film piezoelectric element 120 d connected to the output wiring 124 is connected to the common wiring 128.

図39に示したPLL回路は、VCO141の発振周波数が所望の周波数よりも大きい場合、あるいは小さい場合には、発振周波数と所望の周波数との周波数差を検出し、直流制御電圧Vctrlとして、VCO141の周波数可変フィルタ130内の可変容量素子C1にフィードバックする。したがって、フィードバックループが正常に作動して安定状態に達し、位相がロックした場合、VCO141の発振周波数を所望の周波数に一致させることができる。   The PLL circuit shown in FIG. 39 detects the frequency difference between the oscillation frequency and the desired frequency when the oscillation frequency of the VCO 141 is larger or smaller than the desired frequency, and uses the VCO 141 as the DC control voltage Vctrl. Feedback is made to the variable capacitance element C1 in the frequency variable filter 130. Therefore, when the feedback loop operates normally and reaches a stable state and the phase is locked, the oscillation frequency of the VCO 141 can be matched with a desired frequency.

PLL回路は、VCO141の周波数可変フィルタ130と同一の周波数可変フィルタ130aを通信信号濾波用の通過帯域フィルタとして利用する。例えば、入力された高周波信号が、LNA146に伝達される。LNA146で増幅された出力信号が、周波数可変フィルタ130aに入力される。周波数可変フィルタ130aで濾波された出力信号は、ダウンコンバージョン用のミキサ147の入力端子の一つに入力される。   The PLL circuit uses the same frequency variable filter 130a as the frequency variable filter 130 of the VCO 141 as a passband filter for filtering communication signals. For example, the input high frequency signal is transmitted to the LNA 146. The output signal amplified by the LNA 146 is input to the frequency variable filter 130a. The output signal filtered by the frequency variable filter 130a is input to one of the input terminals of the down-conversion mixer 147.

一方、VCO141で発生された基準信号は、局部発振信号(LO)として、ミキサ147の他方の入力端子に入力される。このようにして、高周波信号が、ベースバンド信号に周波数変換される。   On the other hand, the reference signal generated by the VCO 141 is input to the other input terminal of the mixer 147 as a local oscillation signal (LO). In this way, the high frequency signal is frequency converted into a baseband signal.

第1の実施の形態の応用例では、周波数可変フィルタ130a、及びVCO141内の周波数可変フィルタ130に対し、ともにループフィルタ145により発生した同一の直流制御電圧Vctrlが加えられる。その結果、VCO141の発振周波数を周波数可変フィルタ130aの通過帯域の中心周波数と一致させることができる。   In the application example of the first embodiment, the same DC control voltage Vctrl generated by the loop filter 145 is applied to both the frequency variable filter 130 a and the frequency variable filter 130 in the VCO 141. As a result, the oscillation frequency of the VCO 141 can be matched with the center frequency of the pass band of the frequency variable filter 130a.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子としての容量可変キャパシタは、図43に示すように、圧電アクチュエータ40と、固定電極46とを備える。図44に示すように、圧電アクチュエータ40の固定端部48が、基板11上の絶縁膜32表面に設けられたアンカー42に固定されている。圧電アクチュエータ40の作用端部49が、絶縁膜32表面に設けられた固定電極46と対向するように設けられている。圧電アクチュエータ40は、アンカー42表面から固定電極46の上方に延在して設けられた下部電極14、下部電極14の表面に設けられた圧電膜15、圧電膜15を挟んで下部電極14に対向する上部電極16、及び上部電極16上に設けられた支持膜19を有する。固定電極46は、誘電膜45と、誘電膜45で覆われた導体膜44とを有する。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 43, the variable capacitance capacitor as the thin film piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention includes a piezoelectric actuator 40 and a fixed electrode 46. As shown in FIG. 44, the fixed end 48 of the piezoelectric actuator 40 is fixed to an anchor 42 provided on the surface of the insulating film 32 on the substrate 11. The action end portion 49 of the piezoelectric actuator 40 is provided so as to face the fixed electrode 46 provided on the surface of the insulating film 32. The piezoelectric actuator 40 is opposed to the lower electrode 14 with the lower electrode 14 provided extending from the anchor 42 surface above the fixed electrode 46, the piezoelectric film 15 provided on the surface of the lower electrode 14, and the piezoelectric film 15 interposed therebetween. An upper electrode 16 and a support film 19 provided on the upper electrode 16. The fixed electrode 46 includes a dielectric film 45 and a conductor film 44 covered with the dielectric film 45.

アンカー42、支持膜19、及び誘電膜45には、Si34やSiO2等の絶縁体が用いられる。下部電極14には、AlTa等の非晶質金属が用いられる。圧電膜15には、AlNやZnO等の圧電体が用いられる。また、上部電極16、導体膜44の材料として、Al、Au、Pt、Cu、Ir、W、Mo等の低抵抗で加工が容易な金属であることが望ましい。 For the anchor 42, the support film 19, and the dielectric film 45, an insulator such as Si 3 N 4 or SiO 2 is used. An amorphous metal such as AlTa is used for the lower electrode 14. A piezoelectric material such as AlN or ZnO is used for the piezoelectric film 15. The material of the upper electrode 16 and the conductor film 44 is preferably a metal with low resistance and easy processing, such as Al, Au, Pt, Cu, Ir, W, and Mo.

第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子の圧電アクチュエータ40は、上部電極16上に支持膜19を有している点が、第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子の構造と異なる。下部電極14、圧電膜15、及び上部電極16の構造は、第1の実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。   The piezoelectric actuator 40 of the thin film piezoelectric element according to the second embodiment is different from the structure of the thin film piezoelectric element according to the first embodiment in that a support film 19 is provided on the upper electrode 16. Since the structures of the lower electrode 14, the piezoelectric film 15, and the upper electrode 16 are the same as those in the first embodiment, overlapping descriptions are omitted.

第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子は、導体膜44と下部電極14の作用端部49との間の容量Cvarを用いる。容量Cvarは、固定電極46と可動電極である下部電極14との間の距離の変化に対応して変化する。   The thin film piezoelectric element according to the second embodiment uses a capacitance Cvar between the conductor film 44 and the working end 49 of the lower electrode 14. The capacitance Cvar changes corresponding to a change in the distance between the fixed electrode 46 and the lower electrode 14 that is a movable electrode.

圧電アクチュエータ40の下部電極14及び上部電極16間に電圧が印加されると、圧電効果により圧電膜15が歪んで伸縮する。上部電極16上に設けられた支持膜19は圧電効果を示さないため、圧電膜15の伸縮により、圧電アクチュエータ40が基板11表面に垂直な方向に変位する。例えば、印加電圧で引張応力が発生して圧電膜15が伸びると、圧電アクチュエータ40は基板11表面から離れる方向に屈曲する。一方、圧縮応力により圧電膜15が縮むと、圧電アクチュエータ40は基板11表面に向かって屈曲する。   When a voltage is applied between the lower electrode 14 and the upper electrode 16 of the piezoelectric actuator 40, the piezoelectric film 15 is distorted and expands and contracts due to the piezoelectric effect. Since the support film 19 provided on the upper electrode 16 does not exhibit a piezoelectric effect, the piezoelectric actuator 40 is displaced in a direction perpendicular to the surface of the substrate 11 by the expansion and contraction of the piezoelectric film 15. For example, when a tensile stress is generated by the applied voltage and the piezoelectric film 15 extends, the piezoelectric actuator 40 bends in a direction away from the surface of the substrate 11. On the other hand, when the piezoelectric film 15 contracts due to compressive stress, the piezoelectric actuator 40 bends toward the surface of the substrate 11.

圧電アクチュエータ40の駆動範囲は、圧電膜15の電気機械結合係数に依存する。電気機械結合係数が大きいと、圧電アクチュエータ40では、作用端部49が低駆動電圧で大きく変位することができる。   The driving range of the piezoelectric actuator 40 depends on the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric film 15. When the electromechanical coupling coefficient is large, in the piezoelectric actuator 40, the action end portion 49 can be largely displaced with a low driving voltage.

第2の実施の形態に係る圧電アクチュエータ40では、圧電膜15が、非晶質金属膜の下部電極14表面に設けられるため、分極方向であるc軸に高配向する。その結果、電気機械結合係数が増大して圧電アクチュエータ40の駆動範囲が増加する。したがって、圧電アクチュエータ40を用いる容量可変キャパシタの可変幅を向上することが可能となる。   In the piezoelectric actuator 40 according to the second embodiment, since the piezoelectric film 15 is provided on the surface of the lower electrode 14 of the amorphous metal film, it is highly oriented along the c-axis that is the polarization direction. As a result, the electromechanical coupling coefficient increases and the driving range of the piezoelectric actuator 40 increases. Therefore, the variable width of the variable capacitor using the piezoelectric actuator 40 can be improved.

次に、第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法を、図45〜図48に示す工程断面図を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing a thin film piezoelectric element according to the second embodiment will be described with reference to process cross-sectional views shown in FIGS.

図45に示すように、熱酸化等により、基板11の表面にSiO2等の絶縁膜32を形成する。CVD等により絶縁膜32表面に成膜したSi34等の絶縁体層を、フォトリソグラフィ及びNH4F溶液を用いたエッチング等により、選択的に除去してアンカー42を形成する。 As shown in FIG. 45, an insulating film 32 such as SiO 2 is formed on the surface of the substrate 11 by thermal oxidation or the like. The anchor 42 is formed by selectively removing the insulator layer such as Si 3 N 4 formed on the surface of the insulating film 32 by CVD or the like by photolithography and etching using NH 4 F solution.

また、スパッタ等により絶縁膜32表面に成膜したAl等の金属層を、フォトリソグラフィ及びエッチング等により、選択的に除去して導体膜44を形成する。絶縁膜32上に成膜したSi34等の誘電体層を、フォトリソグラフィ及びエッチング等により、選択的に除去して導体膜44を覆うように誘電膜45を形成する。このようにして、固定電極46が形成される。 Further, the conductor film 44 is formed by selectively removing a metal layer such as Al formed on the surface of the insulating film 32 by sputtering or the like by photolithography, etching, or the like. A dielectric film 45 is formed so as to cover the conductor film 44 by selectively removing the dielectric layer such as Si 3 N 4 formed on the insulating film 32 by photolithography and etching. In this way, the fixed electrode 46 is formed.

図46に示すように、CVD等により、アンカー42及び固定電極46を有する絶縁膜32の表面にpoly−Si等の犠牲層12bをコンフォーマルに成膜する。CMP等により、アンカー42の表面が露出するように犠牲層12bを平坦化研磨する。   As shown in FIG. 46, a sacrificial layer 12b such as poly-Si is conformally formed on the surface of the insulating film 32 having the anchor 42 and the fixed electrode 46 by CVD or the like. The sacrificial layer 12b is planarized and polished so that the surface of the anchor 42 is exposed by CMP or the like.

マグネトロンスパッタ等により、犠牲層12bの表面にAl0.4Ta0.6等の非晶質金属層、AlN等の圧電体層、Al等の金属層、及びSiO2等の絶縁体層を成膜する。図47に示すように、フォトリソグラフィ及びRIE等により、絶縁体層、金属層、圧電体層、及び非晶質金属層を選択的に除去して、下部電極14、圧電膜15、上部電極16、及び支持膜19を有する圧電アクチュエータ40を形成する。 An amorphous metal layer such as Al 0.4 Ta 0.6 , a piezoelectric layer such as AlN, a metal layer such as Al, and an insulator layer such as SiO 2 are formed on the surface of the sacrificial layer 12b by magnetron sputtering or the like. As shown in FIG. 47, the insulator layer, the metal layer, the piezoelectric layer, and the amorphous metal layer are selectively removed by photolithography, RIE, or the like, so that the lower electrode 14, the piezoelectric film 15, and the upper electrode 16 are removed. The piezoelectric actuator 40 having the support film 19 is formed.

図48に示すように、フッ化キセノン(XeF2)を用いたドライエッチング等により、選択的にpoly−Siを除去する。このようにして、アンカー42に固定され、固定電極46の上方まで延在した圧電アクチュエータ40を有する薄膜圧電素子が製造される。   As shown in FIG. 48, poly-Si is selectively removed by dry etching using xenon fluoride (XeF2) or the like. In this manner, a thin film piezoelectric element having the piezoelectric actuator 40 fixed to the anchor 42 and extending above the fixed electrode 46 is manufactured.

第2の実施の形態では、アンカー42の表面のレベルで平坦化された犠牲層12b表面に平坦な非晶質金属膜の下部電極14が設けられる。平坦な非晶質金属膜の下部電極14表面には、圧電膜15をc軸に高配向させることができる。成膜された圧電膜15について、XRDにより配向半値幅を測定が行われている。測定結果、配向半値幅は約2.1°であり、c軸に高配向した圧電膜15が形成されていることがわかる。   In the second embodiment, a flat amorphous metal film lower electrode 14 is provided on the surface of the sacrificial layer 12 b flattened at the level of the surface of the anchor 42. On the surface of the lower electrode 14 of a flat amorphous metal film, the piezoelectric film 15 can be highly oriented along the c axis. With respect to the formed piezoelectric film 15, the half width of orientation is measured by XRD. As a result of the measurement, the half width of orientation is about 2.1 °, and it can be seen that the piezoelectric film 15 highly oriented on the c-axis is formed.

このようにして製造された薄膜圧電素子の容量可変特性が測定されている。例えば、下部及び上部電極14、16間に圧電アクチュエータ40の制御電圧が、0V〜3Vの範囲で印加される。固定電極46及び下部電極14間の容量は、最小0.34pFから最大51pFの範囲で変化する。最大容量と最小容量との比は、約150と大きな可変容量幅が得られている。   The capacity variable characteristics of the thin film piezoelectric element manufactured in this way are measured. For example, the control voltage of the piezoelectric actuator 40 is applied between the lower and upper electrodes 14 and 16 in the range of 0V to 3V. The capacitance between the fixed electrode 46 and the lower electrode 14 varies in a range from a minimum of 0.34 pF to a maximum of 51 pF. The ratio between the maximum capacity and the minimum capacity is about 150, and a large variable capacity width is obtained.

第2の実施の形態によれば、エピタキシャル成長法等の高価で複雑な成長技術を用いることなく、圧電膜15をc軸に高配向させることができ、低制御電圧駆動で可変容量幅を向上させた薄膜圧電素子を実現することが可能となる。   According to the second embodiment, the piezoelectric film 15 can be highly oriented along the c-axis without using an expensive and complicated growth technique such as an epitaxial growth method, and the variable capacitance width can be improved by driving at a low control voltage. A thin film piezoelectric element can be realized.

なお、第2の実施の形態では、薄膜圧電素子の固定電極46として、誘電膜45で覆われた導体膜44を用いて容量可変キャパシタとしている。例えば、固定電極として導体膜だけを用いれば、マイクロスイッチとして機能させることが可能である。   In the second embodiment, a variable capacitance capacitor is formed by using a conductor film 44 covered with a dielectric film 45 as the fixed electrode 46 of the thin film piezoelectric element. For example, if only a conductive film is used as the fixed electrode, it can function as a microswitch.

(第2の実施の形態の変形例)
本発明の第2の実施の形態の変形例に係る薄膜圧電素子としてのマイクロスイッチは、図49に示すように、圧電アクチュエータ40aと、固定電極46aとを備える。図50に示すように、圧電アクチュエータ40aの固定端部48が、基板11上の絶縁膜32表面に設けられたアンカー42に固定されている。圧電アクチュエータ40aの作用端部49が、絶縁膜32表面に設けられた固定電極46aと対向するように設けられている。圧電アクチュエータ40aは、アンカー42表面から固定電極46aの上方に延在して設けられた下部電極14、下部電極14の表面に設けられた圧電膜15、圧電膜15を挟んで下部電極14に対向する上部電極16、及び上部電極16上に設けられた支持膜19を有する。下部電極14は、非晶質金属膜22及び配向性金属膜23を有する。
(Modification of the second embodiment)
As shown in FIG. 49, a microswitch as a thin film piezoelectric element according to a modification of the second embodiment of the present invention includes a piezoelectric actuator 40a and a fixed electrode 46a. As shown in FIG. 50, the fixed end portion 48 of the piezoelectric actuator 40 a is fixed to an anchor 42 provided on the surface of the insulating film 32 on the substrate 11. The working end portion 49 of the piezoelectric actuator 40a is provided so as to face the fixed electrode 46a provided on the surface of the insulating film 32. The piezoelectric actuator 40a is opposed to the lower electrode 14 with the lower electrode 14 provided extending from the anchor 42 surface above the fixed electrode 46a, the piezoelectric film 15 provided on the surface of the lower electrode 14, and the piezoelectric film 15 interposed therebetween. An upper electrode 16 and a support film 19 provided on the upper electrode 16. The lower electrode 14 has an amorphous metal film 22 and an orientation metal film 23.

下部電極14の非晶質金属膜22には、AlTa等の非晶質金属が用いられる。配向性金属膜23には、fcc金属あるいはbcc金属等の(111)方位あるいは(110)方位に配向しやすい金属が用いられる。固定電極46aは、Al、Au、Pt、Cu、Ir、W、Mo等の低抵抗で加工が容易な金属である。   An amorphous metal such as AlTa is used for the amorphous metal film 22 of the lower electrode 14. For the orientation metal film 23, a metal that is easily oriented in the (111) direction or the (110) direction, such as an fcc metal or a bcc metal, is used. The fixed electrode 46a is a metal with low resistance, such as Al, Au, Pt, Cu, Ir, W, and Mo, which is easy to process.

第2の実施の形態の変形例に係る薄膜圧電素子の圧電アクチュエータ40aは、下部電極14が非晶質金属膜22及び配向性金属膜23を有している点が、第2の実施の形態と異なる。他の構造は、第2の実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。   A piezoelectric actuator 40a of a thin film piezoelectric element according to a modification of the second embodiment is that the lower electrode 14 has an amorphous metal film 22 and an oriented metal film 23, as compared with the second embodiment. And different. Since other structures are the same as those of the second embodiment, overlapping descriptions are omitted.

圧電アクチュエータ40aの下部電極14及び上部電極16間に電圧が印加されると、圧電効果により圧電膜15が歪んで伸縮する。例えば、印加電圧で圧縮応力が発生して圧電膜15が縮むと、圧電アクチュエータ40aは基板11表面に向かって屈曲する。圧電アクチュエータ40aの下部電極14が、固定電極46aと接触して薄膜圧電素子が導通状態になる。   When a voltage is applied between the lower electrode 14 and the upper electrode 16 of the piezoelectric actuator 40a, the piezoelectric film 15 is distorted and expanded due to the piezoelectric effect. For example, when compressive stress is generated by the applied voltage and the piezoelectric film 15 contracts, the piezoelectric actuator 40a bends toward the surface of the substrate 11. The lower electrode 14 of the piezoelectric actuator 40a contacts the fixed electrode 46a, and the thin film piezoelectric element becomes conductive.

圧電アクチュエータ40aの駆動範囲は、圧電膜15の電気機械結合係数に依存する。電気機械結合係数が大きいと、圧電アクチュエータ40aでは、作用端部49が低駆動電圧で大きく変位することができる。   The driving range of the piezoelectric actuator 40 a depends on the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric film 15. When the electromechanical coupling coefficient is large, in the piezoelectric actuator 40a, the action end portion 49 can be largely displaced with a low driving voltage.

第2の実施の形態の変形例に係る圧電アクチュエータ40aでは、圧電膜15が、非晶質金属膜22上で(111)方位あるいは(110)方位に高配向した配向性金属膜23表面に設けられるため、分極方向であるc軸に高配向する。その結果、電気機械結合係数が増大して圧電アクチュエータ40aの可動範囲が増加する。したがって、圧電アクチュエータ40aを用いるマイクロスイッチを低制御電圧で駆動することが可能となる。   In the piezoelectric actuator 40a according to the modification of the second embodiment, the piezoelectric film 15 is provided on the surface of the oriented metal film 23 that is highly oriented in the (111) direction or the (110) direction on the amorphous metal film 22. Therefore, it is highly oriented in the c-axis which is the polarization direction. As a result, the electromechanical coupling coefficient increases and the movable range of the piezoelectric actuator 40a increases. Therefore, the microswitch using the piezoelectric actuator 40a can be driven with a low control voltage.

次に、第2の実施の形態の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法を、図64〜図67に示す工程断面図を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing a thin film piezoelectric element according to a modification of the second embodiment will be described with reference to process cross-sectional views shown in FIGS.

図51に示すように、熱酸化等により、基板11の表面にSiO2等の絶縁膜32を形成する。CVD等により絶縁膜32表面に成膜したSi34等の絶縁体層を、フォトリソグラフィ及びNH4F溶液を用いたエッチング等により、選択的に除去してアンカー42を形成する。また、スパッタ及びリフトオフ工程等により、絶縁膜32表面に成膜したAu等の金属膜を選択的に成膜して固定電極46aを形成する。 As shown in FIG. 51, an insulating film 32 such as SiO 2 is formed on the surface of the substrate 11 by thermal oxidation or the like. The anchor 42 is formed by selectively removing the insulator layer such as Si 3 N 4 formed on the surface of the insulating film 32 by CVD or the like by photolithography and etching using NH 4 F solution. Also, a fixed electrode 46a is formed by selectively forming a metal film such as Au formed on the surface of the insulating film 32 by sputtering and a lift-off process.

図52に示すように、CVD等により、アンカー42及び固定電極46aを有する絶縁膜32の表面にpoly−Si等の犠牲層12bをコンフォーマルに成膜する。CMP等により、アンカー42の表面が露出するように犠牲層12bを平坦化研磨する。   As shown in FIG. 52, a sacrificial layer 12b such as poly-Si is conformally formed on the surface of the insulating film 32 having the anchor 42 and the fixed electrode 46a by CVD or the like. The sacrificial layer 12b is planarized and polished so that the surface of the anchor 42 is exposed by CMP or the like.

マグネトロンスパッタ等により、犠牲層12bの表面にAl0.4Ta0.6等の非晶質金属層、Al等の下部金属層、AlN等の圧電体層、Al等の上部金属層、及びSiO2等の絶縁体層を成膜する。図53に示すように、フォトリソグラフィ及びRIE等により、絶縁体層、上部金属層、圧電体層、下部金属層、及び非晶質金属層を選択的に除去して、非晶質金属膜22と配向性金属膜23を有する下部電極14、圧電膜15、上部電極16、及び支持膜19を有する圧電アクチュエータ40aを形成する。 By magnetron sputtering or the like, the surface of the sacrificial layer 12b is made of an amorphous metal layer such as Al 0.4 Ta 0.6 , a lower metal layer such as Al, a piezoelectric layer such as AlN, an upper metal layer such as Al, and an insulation such as SiO 2. A body layer is formed. As shown in FIG. 53, the insulator layer, the upper metal layer, the piezoelectric layer, the lower metal layer, and the amorphous metal layer are selectively removed by photolithography, RIE, etc., and the amorphous metal film 22 is obtained. And a piezoelectric actuator 40 a having the lower electrode 14 having the orientation metal film 23, the piezoelectric film 15, the upper electrode 16, and the support film 19.

図54に示すように、フッ化キセノン(XeF2)を用いたドライエッチング等により、選択的にpoly−Siを除去する。このようにして、アンカー42に固定され、固定電極46aの上方まで延在した圧電アクチュエータ40aを有する薄膜圧電素子が製造される。   As shown in FIG. 54, poly-Si is selectively removed by dry etching or the like using xenon fluoride (XeF2). In this manner, a thin film piezoelectric element having the piezoelectric actuator 40a fixed to the anchor 42 and extending to above the fixed electrode 46a is manufactured.

第2の実施の形態の変形例では、アンカー42の表面のレベルで平坦化された犠牲層12b表面に平坦な非晶質金属膜22が設けられる。平坦な非晶質金属膜22表面には、Al等の配向性金属膜23を(111)方位に高配向させて成膜することができる。その結果、圧電膜15をc軸に高配向させて成膜することが可能となる。成膜された圧電膜15について、XRDにより配向半値幅を測定が行われている。測定結果、配向半値幅は約2.4°であり、c軸に高配向した圧電膜15が形成されていることがわかる。   In the modification of the second embodiment, a flat amorphous metal film 22 is provided on the surface of the sacrificial layer 12b flattened at the level of the surface of the anchor 42. On the surface of the flat amorphous metal film 22, an oriented metal film 23 such as Al can be formed with a high orientation in the (111) direction. As a result, the piezoelectric film 15 can be formed with high orientation on the c-axis. With respect to the formed piezoelectric film 15, the half width of orientation is measured by XRD. As a result of the measurement, the orientation half width is about 2.4 °, and it can be seen that the piezoelectric film 15 highly oriented in the c-axis is formed.

このようにして製造された薄膜圧電素子の電気特性が測定されている。例えば、圧電アクチュエータ40aの下部及び上部電極14、16間に制御電圧を印加して、2GHzの周波数において絶縁抵抗及びオン抵抗が評価される。制御電圧が0Vで、固定電極46a及び下部電極14間の絶縁抵抗は、約28dBである。制御電圧が3Vで、固定電極46a及び下部電極14間のオン抵抗は、約0.3dBである。このように、第2の実施の形態の変形例に係る薄膜圧電素子では、低制御電圧駆動ができ、高周波帯域において小さなオン抵抗及び良好な絶縁抵抗を実現することが可能となる。   The electrical characteristics of the thin film piezoelectric element thus manufactured are measured. For example, the control voltage is applied between the lower and upper electrodes 14 and 16 of the piezoelectric actuator 40a, and the insulation resistance and the on-resistance are evaluated at a frequency of 2 GHz. The control voltage is 0V, and the insulation resistance between the fixed electrode 46a and the lower electrode 14 is about 28 dB. The control voltage is 3V, and the on-resistance between the fixed electrode 46a and the lower electrode 14 is about 0.3 dB. As described above, the thin film piezoelectric element according to the modification of the second embodiment can be driven with a low control voltage, and can realize a small on-resistance and a good insulation resistance in a high-frequency band.

第2の実施の形態によれば、エピタキシャル成長法等の高価で複雑な成長技術を用いることなく、圧電膜15をc軸に高配向させることができ、低制御電圧駆動で高周波特性を向上させた薄膜圧電素子を実現することが可能となる。   According to the second embodiment, the piezoelectric film 15 can be highly oriented on the c-axis without using an expensive and complicated growth technique such as an epitaxial growth method, and the high-frequency characteristics are improved by driving at a low control voltage. A thin film piezoelectric element can be realized.

なお、第2の実施の形態の変形例では、固定電極46aとして、金属膜を用いている。例えば、固定電極46aに変えて、図57に示した誘電膜45で覆われた導体膜44を有する固定電極46を用いれば、薄膜圧電素子を容量可変キャパシタとして機能させることが可能である。   In the modification of the second embodiment, a metal film is used as the fixed electrode 46a. For example, if the fixed electrode 46 having the conductor film 44 covered with the dielectric film 45 shown in FIG. 57 is used instead of the fixed electrode 46a, the thin film piezoelectric element can function as a capacitance variable capacitor.

(その他の実施の形態)
上記のように、本発明の第1及び第2の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the first and second embodiments of the present invention have been described. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, embodiments and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。   As described above, the present invention naturally includes various embodiments that are not described herein. Accordingly, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.

本発明の実施の形態に係る圧電膜の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the piezoelectric film which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る圧電膜の配向性の評価の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of evaluation of the orientation of the piezoelectric film which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る圧電膜の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the piezoelectric film which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る圧電膜の配向性の評価の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of evaluation of the orientation of the piezoelectric film which concerns on embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the thin film piezoelectric element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図5に示した薄膜圧電素子のA−A線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the AA line of the thin film piezoelectric element shown in FIG. 本発明の第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態第1の変形例に係る薄膜圧電素子の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the thin film piezoelectric element which concerns on the 1st modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第1の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 1st modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第1の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 1st modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第1の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 1st modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第1の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 1st modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第1の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その5)である。It is sectional drawing (the 5) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 1st modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第2の変形例に係る薄膜圧電素子の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第2の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第2の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第2の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第2の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第3の変形例に係る薄膜圧電素子の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the thin film piezoelectric element which concerns on the 3rd modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第3の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 3rd modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第3の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 3rd modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第3の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 3rd modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第3の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 3rd modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第4の変形例に係る薄膜圧電素子の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the thin film piezoelectric element which concerns on the 4th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第4の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 4th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第4の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 4th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第4の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 4th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第4の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 4th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第4の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その5)である。It is sectional drawing (the 5) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 4th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第4の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その6)である。It is sectional drawing (the 6) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 4th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第5の変形例に係る薄膜圧電素子の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the thin film piezoelectric element which concerns on the 5th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第5の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 5th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第5の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 5th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第5の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 5th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の第5の変形例に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 5th modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の応用例に係る位相ロックドループ回路の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the phase locked loop circuit based on the application example of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の応用例に係る電圧制御発信器の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the voltage control transmitter which concerns on the application example of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の応用例に係る周波数可変フィルタに用いる薄膜圧電素子の接続の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the connection of the thin film piezoelectric element used for the frequency variable filter which concerns on the application example of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の応用例に係る周波数可変フィルタに用いる薄膜圧電素子の配置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of arrangement | positioning of the thin film piezoelectric element used for the frequency variable filter which concerns on the application example of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図43に示した薄膜圧電素子のB−B線の沿った断面図である。It is sectional drawing along the BB line of the thin film piezoelectric element shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態の変形例に係る薄膜圧電素子の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the thin film piezoelectric element which concerns on the modification of the 2nd Embodiment of this invention. 図49に示した薄膜圧電素子のC−C線の沿った断面図である。It is sectional drawing along CC line of the thin film piezoelectric element shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る薄膜圧電素子の製造方法の一例を示す断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) which shows an example of the manufacturing method of the thin film piezoelectric element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板
12、12a、12b 犠牲層
13 バリア層
14 下部電極
15 圧電膜
16 上部電極
17、17a、17b 空洞
19 支持膜
20 共振部
22 非晶質金属膜
23 配向性金属膜
24 下部電極
27 開口部
32 絶縁膜
36a、36b 第1の音響インピーダンス層
37a、37b 第2の音響インピーダンス層
38 音響反射層
40、40a 圧電アクチュエータ
42 アンカー
44 導体膜
45 誘電膜
46、46a 固定電極
48 固定端部
49 作用端部
120a〜120d 薄膜圧電素子
122 入力配線
124 出力配線
126 接続配線
128 共通配線
130、130a 周波数可変フィルタ
130a 周波数可変フィルタ
131 増幅器
132 バッファ増幅器
141 VCO
142 分周器
143 位相比較器
144 チャージポンプ
145 ループフィルタ
146 LNA
147 ミキサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Board | substrate 12,12a, 12b Sacrificial layer 13 Barrier layer 14 Lower electrode 15 Piezoelectric film 16 Upper electrode 17, 17a, 17b Cavity 19 Support film 20 Resonance part 22 Amorphous metal film 23 Oriented metal film 24 Lower electrode 27 Opening part 32 Insulating film 36a, 36b First acoustic impedance layer 37a, 37b Second acoustic impedance layer 38 Acoustic reflection layer 40, 40a Piezoelectric actuator 42 Anchor 44 Conductor film 45 Dielectric film 46, 46a Fixed electrode 48 Fixed end 49 Working end Part 120a-120d Thin film piezoelectric element 122 Input wiring 124 Output wiring 126 Connection wiring 128 Common wiring 130, 130a Frequency variable filter 130a Frequency variable filter 131 Amplifier 132 Buffer amplifier 141 VCO
142 frequency divider 143 phase comparator 144 charge pump 145 loop filter 146 LNA
147 mixer

Claims (16)

基板上の非晶質金属膜と、
前記非晶質金属膜の上で、前記非晶質金属膜表面に垂直な方向に配向した圧電膜
とを備えることを特徴とする薄膜圧電素子。
An amorphous metal film on the substrate;
And a piezoelectric film oriented in a direction perpendicular to the surface of the amorphous metal film on the amorphous metal film.
前記圧電膜が、前記非晶質金属膜の表面に設けられることを特徴とする請求項1に記載の薄膜圧電素子。   The thin film piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric film is provided on a surface of the amorphous metal film. 前記非晶質金属膜及び前記圧電膜の間に配向性金属膜を、更に備えることを特徴とする請求項1に記載の薄膜圧電素子。   The thin film piezoelectric element according to claim 1, further comprising an orientation metal film between the amorphous metal film and the piezoelectric film. 前記配向性金属膜が、面心立方格子金属及び体心立方格子金属のいずれかであることを特徴とする請求項3に記載の薄膜圧電素子。   The thin film piezoelectric element according to claim 3, wherein the oriented metal film is one of a face-centered cubic lattice metal and a body-centered cubic lattice metal. 前記圧電膜の表面に設けられた上部金属膜を、更に備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の薄膜圧電素子。   The thin film piezoelectric element according to claim 1, further comprising an upper metal film provided on a surface of the piezoelectric film. 前記非晶質金属膜が、アルミニウムタンタル合金であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の薄膜圧電素子。   The thin film piezoelectric element according to claim 1, wherein the amorphous metal film is an aluminum tantalum alloy. 前記圧電膜が、窒化アルミニウム及び酸化亜鉛のいずれかであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の薄膜圧電素子。   The thin film piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric film is one of aluminum nitride and zinc oxide. 対向する前記非晶質金属膜及び前記上部金属膜と、前記非晶質金属膜及び前記上部金属膜の間の前記圧電膜とで規定される領域が、前記基板から離間して空中に配置されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の薄膜圧電素子。   A region defined by the opposing amorphous metal film and the upper metal film and the piezoelectric film between the amorphous metal film and the upper metal film is disposed in the air apart from the substrate. The thin film piezoelectric element according to claim 1, wherein: 前記非晶質金属膜は、一端が前記基板上に固定され、他端が前記基板表面から離間して空中に配置されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の薄膜圧電素子。   8. The amorphous metal film according to claim 1, wherein one end of the amorphous metal film is fixed on the substrate and the other end is disposed in the air apart from the substrate surface. Thin film piezoelectric element. 前記他端が、前記基板表面に配置された固定電極と対向することを特徴とする請求項9に記載の薄膜圧電素子。   The thin film piezoelectric element according to claim 9, wherein the other end faces a fixed electrode disposed on the surface of the substrate. 基板上に非晶質金属膜を形成し、
前記非晶質金属膜の上に、前記非晶質金属膜表面に垂直な方向に配向する圧電膜を形成し、
前記圧電膜の表面に前記圧電膜を挟んで前記非晶質金属膜と対向する上部金属膜を形成する
ことを含むことを特徴とする薄膜圧電素子の製造方法。
Forming an amorphous metal film on the substrate;
Forming a piezoelectric film oriented in a direction perpendicular to the surface of the amorphous metal film on the amorphous metal film;
An upper metal film facing the amorphous metal film is formed on the surface of the piezoelectric film with the piezoelectric film interposed therebetween. A method of manufacturing a thin film piezoelectric element, comprising:
前記圧電膜を形成する前に前記非晶質金属膜表面に配向性金属膜を形成することを含むことを特徴とする請求項11に記載の薄膜圧電素子の製造方法。   12. The method of manufacturing a thin film piezoelectric element according to claim 11, further comprising forming an orientation metal film on the surface of the amorphous metal film before forming the piezoelectric film. 前記配向性金属膜が、面心立方格子金属及び体心立方格子金属のいずれかであることを特徴とする請求項12に記載の薄膜圧電素子の製造方法。 13. The method for manufacturing a thin film piezoelectric element according to claim 12, wherein the oriented metal film is one of a face-centered cubic lattice metal and a body-centered cubic lattice metal. 前記非晶質金属を形成する前に、前記基板の上に高音響インピーダンスを有する第1の音響インピーダンス層、及び低音響インピーダンスを有する第2の音響インピーダンス層を交互に積層した音響反射層を形成することを、更に含むことを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載の薄膜圧電素子の製造方法。   Before forming the amorphous metal, an acoustic reflection layer in which a first acoustic impedance layer having a high acoustic impedance and a second acoustic impedance layer having a low acoustic impedance are alternately stacked is formed on the substrate. The method for manufacturing a thin film piezoelectric element according to claim 11, further comprising: 前記第1及び第2の音響インピーダンス層は、対向する前記非晶質金属膜及び前記上部金属膜と、前記非晶質金属膜及び前記上部金属膜の間の前記圧電膜とで規定される共振部で励振されたバルク音響波の波長の約1/4の厚さであることを特徴とする請求項14に記載の薄膜圧電素子の製造方法。   The first and second acoustic impedance layers are resonant defined by the opposing amorphous metal film and upper metal film, and the piezoelectric film between the amorphous metal film and the upper metal film. The method of manufacturing a thin film piezoelectric element according to claim 14, wherein the thickness is about ¼ of the wavelength of the bulk acoustic wave excited at the portion. 前記非晶質金属膜を形成する前に、前記基板の上に犠牲層を形成し、
前記上部金属層を形成後に、前記犠牲層を選択的に除去する
ことを、更に含むことを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載の薄膜圧電素子の製造方法。
Before forming the amorphous metal film, a sacrificial layer is formed on the substrate,
The method of manufacturing a thin film piezoelectric element according to claim 11, further comprising selectively removing the sacrificial layer after forming the upper metal layer.
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