JP2005347898A - 圧電薄膜共振子およびフィルタならびにそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 機械的強度、実装性、信頼性、および生産性に優れ、かつ良好な圧電膜配向性を有する圧電薄膜共振子およびフィルタならびにそれらの製造方法を提供すること。
【解決手段】 上部電極４５と下部電極４３が対向する領域（メンブレン部４６）の下部電極４３の下側と基板４１との間には、ドーム形状の膨らみを有する空隙４２が形成されている。そして、この空隙４２は基板４１面上への投影形状が閉曲線からなる輪郭を有している。また、基板４１には犠牲層をエッチングして空隙４２を形成するために用いる犠牲層エッチング用のエッチング液導入孔４７が設けられている。犠牲層４８のエッチングは、下部電極４３、圧電膜４４および上部電極４５からなる積層体（複合膜）の応力が圧縮応力となるように実行され、複合膜が膨れ上がり下部電極４３と基板４１との間にドーム形状の空隙４２を形成することができる。
【選択図】 図４
【解決手段】 上部電極４５と下部電極４３が対向する領域（メンブレン部４６）の下部電極４３の下側と基板４１との間には、ドーム形状の膨らみを有する空隙４２が形成されている。そして、この空隙４２は基板４１面上への投影形状が閉曲線からなる輪郭を有している。また、基板４１には犠牲層をエッチングして空隙４２を形成するために用いる犠牲層エッチング用のエッチング液導入孔４７が設けられている。犠牲層４８のエッチングは、下部電極４３、圧電膜４４および上部電極４５からなる積層体（複合膜）の応力が圧縮応力となるように実行され、複合膜が膨れ上がり下部電極４３と基板４１との間にドーム形状の空隙４２を形成することができる。
【選択図】 図４
Description
本発明は、圧電薄膜共振子およびフィルタならびにそれらの製造方法に関し、より詳細には、機械的強度、実装性、信頼性、および生産性に優れ、かつ良好な圧電膜配向性を有する圧電薄膜共振子およびフィルタならびにそれらの製造方法に関する。
携帯電話に代表される無線機器の急速な普及により、小型で軽量な共振子およびこれを組み合わせて構成したフィルタの需要が増大している。これまでは主として誘電体と表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタが使用されてきたが、最近では、特に高周波での特性が良好で、かつ小型化とモノリシック化が可能な素子である圧電薄膜共振子およびこれを用いて構成されたフィルタが注目されつつある。
このような圧電薄膜共振子の一つとして、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプの共振子が知られている。これは、基板上に、主要構成要素として、上部電極膜と圧電膜と下部電極膜の積層構造体を有し、上部電極と下部電極が対向する部分の下部電極下には空隙（バイアホールあるいはキャビティ）が形成されている。このような空隙は、素子基板として用いられるＳｉ基板を裏面からエッチング（ウェットエッチングやドライエッチィング）することで形成されたり、あるいは、Ｓｉ基板の表面に設けた犠牲層をウェットエッチングなどして形成される。
いま、上部電極と下部電極との間に高周波の電気信号を印加すると、上部電極と下部電極に挟まれた圧電膜内部に、逆圧電効果によって励振される弾性波や圧電効果に起因する歪によって生じる弾性波が発生する。そして、これらの弾性波が電気信号に変換される。このような弾性波は、上部電極（膜）と下部電極（膜）がそれぞれ空気に接している面で全反射されるため、厚み方向に主変位をもつ厚み縦振動波となる。この素子構造では、空隙上に形成された上部電極膜／圧電膜／下部電極膜を主要構成要素とする薄膜構造部分の合計膜厚Ｈが、弾性波の１／２波長の整数倍（ｎ倍）になる周波数において共振が起こる。弾性波の伝搬速度Ｖは材料によって決まり、共振周波数ＦはＦ＝ｎＶ／２Ｈで与えられる。このような共振現象を利用すると膜厚をパラメータとして共振周波数を制御することが可能であるから、所望の周波数特性を有する共振子やフィルタを作製することができる。
ここで、上下の電極膜としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）などの金属材料あるいはこれらの金属を組み合わせた積層材料を用いることができる。また、圧電膜としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などを用いることができる。特に、（００２）方向を主軸とする配向性をもつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）であることが好ましい。さらに、素子基板としては、シリコン、ガラス、ＧａＡｓなどを用いることができる。
既に説明したように、上記構成の圧電薄膜共振子では、下部電極膜（あるいは誘電体膜）の直下に、バイアホールあるいはキャビティを形成する必要がある。以下では、基板の裏面から表面まで貫通している穴をバイアホールと呼び、基板の表面近傍や下部電極膜（あるいは誘電体膜）の直下に存在する空洞をキャビティと呼ぶことにする。従来の圧電薄膜共振子はバイアホールタイプとキャビティタイプに分類される。
図１は、非特許文献１に記載されている従来の圧電薄膜共振子の概略構成を説明するための断面図である。この構造では、熱酸化膜（ＳｉＯ２）１２を有する（１００）Ｓｉ基板１１上に、下部電極１３としてＡｕ−Ｃｒ膜、圧電膜１４としてＺｎＯ膜、上部電極１５としてＡｌ膜が形成されて積層構造を形成している。そして、この積層構造の下方にはバイアホール１６が形成されている。このバイアホール１６は、（１００）Ｓｉ基板１１の裏面側から、ＫＯＨ水溶液あるいはＥＤＰ水溶液（エチレンジアミンとピロカテコールと水の混合液）を用いた異方性エッチングを施して形成したものである。
しかしながら、図１に示したバイアホールタイプの圧電薄膜共振子には、以下のような問題がある。第１に、そもそも上述した異方性エッチングというのは、Ｓｉ基板の（１００）面のエッチングレートが（１１１）面のエッチングレートに比較してある程度の高い値をもつという特性を利用しているため、Ｓｉ基板のカット面が（１００）面である場合に限って有効な手法である点である。第２に、バイアホールは、（１００）面と（１１１）面が交差する角度である５４．７°の傾斜をもつ側壁形状をとらざるを得ないために、素子サイズが大きくなることを避けることができず、かつＳｉ基板裏面の一部領域を大きくエッチングして形成されるバイアホールにより機械的強度も低下してしまう点である。第３に、このような圧電薄膜共振子を複数個近接して配置させてフィルタを構成する場合、個々の共振子の小型化が困難であるためにフィルタも実用的なサイズにまで小型かすることが不可能な点である。第４に、Ｓｉ基板にバイアホールを形成しているためにインダクタンスやキャパシタンスなどといった他の素子を同一基板上に製造する際の妨げとなり、集積化が容易ではない点である。第５に、Ｓｉ基板をダイシングして個々のチップに分割する工程やパッケージへの実装工程において、強度の弱い素子の破損を回避するため特別な配慮を必要とする点である。
これに対してキャビティタイプの圧電薄膜共振子は、犠牲層上に、上部電極膜と圧電膜と下部電極膜（必要によりさらに誘電体膜）の積層構造を有し、この犠牲層をエッチングにより除去して形成されたキャビティを備えた圧電薄膜共振子である。
図２は、このようなキャビティタイプの圧電薄膜共振子の概略構成を説明するための断面図である（特許文献１参照）。この構造では、熱酸化膜（ＳｉＯ２）２２を有する基板２１上に、下部電極２３と圧電膜２４と上部電極２５とが形成されて積層構造を形成している。そして、この積層構造の下方にはキャビティ２６が形成されている。このキャビティ２６は、予めアイランド（島）状のＺｎＯの犠牲層をパターニングしておき、この犠牲層パターン上に上記の積層構造を形成し、さらに積層構造の下方にある犠牲層を酸で除去することにより形成される。
一般に、ＦＢＡＲのような厚み縦振動を利用した圧電薄膜共振子では、良好な共振特性を得るには圧電膜の配向性が良好であることが前提となる。通常、キャビティ深さは、振動変位とメンブレン部分のたわみを考慮すると、数μm〜数十μm必要である。しかしながら、このように厚い犠牲層を成膜した後の表面は粗く、その犠牲層上に成長させる下部電極膜２３と圧電膜２４の配向性はかなり低下してしまう。さらに、上部電極膜２５／圧電膜２４／下部電極膜２３の積層体は、ＳｉＯ２膜２２により上側に隆起する橋状の下地の上に設けられることとなるため、機械振動に対する強度も弱く実用上の信頼性に劣るという問題がある。
図３は、かかる配向性の問題を克服する方法として特許文献２に開示されている圧電薄膜共振子の概略構成を説明するための断面図である。この構造では、熱酸化膜（ＳｉＯ２）３２を有するＳｉ基板３１上に、下部電極３３と圧電膜３４と上部電極３５とが形成されて積層構造を形成している。そして、この積層構造の下方にキャビティ３６が形成されている。この構成の圧電薄膜共振子は次のようにして作製される。
先ず、Ｓｉ基板３１の表面の一部領域にエッチングにより窪みを形成し、次に犠牲層として使用するＰＳＧ（燐石英ガラス）中の燐がＳｉ基板３１中に拡散するのを防止するため、Ｓｉ基板３１表面に熱酸化膜（ＳｉＯ２）３２を形成する。犠牲層のＰＳＧを堆積した後に研磨及びクリーニングを行い、表面のミラー仕上げを行う。続いて、下部電極膜３３、圧電膜３４、上部電極膜３５の順に堆積し、最後にＰＳＧを除去する。しかしながら、このような圧電薄膜共振子の作製方法では作製コストが高くなり、しかも、スラリ残渣などの処理を必要とする厄介な研磨工程を含んでおり、製造工程数も多く生産性に劣るという問題がある。
特開昭６０−１８９３０７号公報
特開２０００−６９５９４号公報
Electron. Lett., １９８１年、１７巻、５０７−５０９頁
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、機械的強度、実装性、信頼性、および生産性に優れ、かつ良好な圧電膜配向性を有する圧電薄膜共振子およびこれをもちいたフィルタならびにそれらの製造方法を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、圧電薄膜共振子であって、素子基板の平坦主面上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層された複合膜を備え、前記圧電膜を挟む前記上部電極と前記下部電極との重なり領域（メンブレン領域）に対応する前記素子基板の領域には前記下部電極との間にドーム状の膨らみを有する空隙が設けられていることを特徴とする。好ましくは、前記空隙は前記素子基板面上への投影形状が閉曲線からなる輪郭を有している。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の圧電薄膜共振子において、前記空隙の前記素子基板面上への投影形状は、前記メンブレン領域の前記素子基板面上への投影形状と相似形状であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の圧電薄膜共振子において、前記複合膜の応力は圧縮応力であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の圧電薄膜共振子において、前記素子基板には、前記空隙に通じる孔部が設けられていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の圧電薄膜共振子において、前記圧電膜は、（００２）方向を主軸とする配向性をもつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）であることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、フィルタであって、請求項１乃至６の何れかに記載の圧電薄膜共振子を複数組み合わせて構成されていることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、圧電薄膜共振子の製造方法であって、素子基板の平坦主面上に犠牲層をパターン形成する第１のステップと、前記犠牲層上に前記素子基板の主面に接する下部電極をパターン形成する第２のステップと、前記下部電極上に圧電膜を形成する第３のステップと、前記圧電膜上に一部領域が前記下部電極と重なる上部電極をパターン形成する第４のステップと、前記犠牲層の表面の一部が露出するように前記下部電極の一部に開口部を形成する第５のステップと、前記開口部からエッチング液を導入して前記下部電極下方の犠牲層を除去し空隙を形成する第６のステップと、を備えていることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、圧電薄膜共振子の製造方法であって、素子基板の平坦主面上に犠牲層をパターン形成する第１のステップと、前記犠牲層上に前記素子基板の主面に接する下部電極をパターン形成する第２のステップと、前記犠牲層の表面の一部が露出するように前記下部電極の一部に開口部を形成する第３のステップと、前記下部電極上に圧電膜を形成する第４のステップと、前記圧電膜上に一部領域が前記下部電極と重なる上部電極をパターン形成する第５のステップと、前記開口部からエッチング液を導入して前記下部電極下方の犠牲層を除去し空隙を形成する第６のステップと、を備えていることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項８または９に記載の圧電薄膜共振子の製造方法において、前記第１のステップにより形成される前記犠牲層のパターンは、前記空隙と前記開口部とを結ぶ流路部を有していることを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項８乃至１０の何れかに記載の圧電薄膜共振子の製造方法において、前記犠牲層は前記下部電極よりも薄く形成され、膜厚比（犠牲層膜厚／下部電極膜厚）が０．５以下であることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、圧電薄膜共振子を複数組み合わせて構成されたフィルタの製造方法であって、該圧電薄膜共振子の少なくとも１つは請求項８乃至１１の何れかに記載された方法により製造されたものであることを特徴とする。
本発明の圧電薄膜共振子は、素子基板上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層された複合膜の圧電膜を挟む上部電極と下部電極との重なり領域（メンブレン領域）に対応する素子基板の領域に下部電極との間にドーム状の膨らみを有する空隙を設け、この空隙の素子基板面上への投影形状が閉曲線からなる輪郭を有することとしたので、機械的強度、実装性、信頼性、および生産性に優れ、かつ良好な圧電膜配向性を有する圧電薄膜共振子およびこれをもちいたフィルタならびにそれらの製造方法を提供することが可能となる。
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の圧電薄膜共振子はセラミックなどのパッケージに搭載され、素子（共振子）とパッケージとはワイヤやバンプなどで接続される。上記パッケージはセラミック以外のものであってもよく、素子表面に空間を確保して樹脂封止されてもよい。また、このような素子は、単体でパッケージングされる以外に、モジュール基板に他のディスクリート部品と共に搭載されて実装されるようにしてもよい。
図４は本実施例の圧電薄膜共振子の構成を説明するための図で、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａに沿う断面図、そして図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂに沿う断面図である。ここでは、基板４１には（１００）カットのＳｉ基板を使用しており、下部電極４３はＲｕ層とＣｒ層の２層を積層させたＲｕ／Ｃｒの２層構造とされている。なお、後述するように、Ｓｉ基板に替えて石英基板を用いることとしてもよい。また、圧電膜４４にはＡｌＮ膜を用い、上部電極４５にはＲｕ膜を使用している。例えば、５ＧＨｚ帯の共振周波数を有する圧電薄膜共振子とする場合の各膜厚は、下部電極４３はＲｕ（１００ｎｍ）／Ｃｒ（５０ｎｍ）とし、圧電膜４４はＡｌＮ（４００ｎｍ）とし、上部電極４５はＲｕ（１００ｎｍ）程度とする。
上部電極４５と下部電極４３が対向する領域（メンブレン部４６）の下部電極４３の下側と基板４１との間には、ドーム形状の膨らみを有する空隙４２が形成されている。そして、この空隙４２は基板４１面上への投影形状が閉曲線からなる輪郭を有している。本実施例では、上部電極４５と下部電極４３とが重なりあった部分の形状を楕円とし、そのサイズとして長軸の長さを５４μｍ、短軸の長さを４５μｍとしている。なお、空隙４２の輪郭サイズも同等のサイズとしている。このときの空隙４２の高さは１〜２μｍ程度である。また、基板４１には後述する手法により犠牲層をエッチングして空隙４２を形成するために用いる犠牲層エッチング用のエッチング液導入孔４７が設けられている。この空隙４２の基板４１面上への投影形状を閉曲線からなる輪郭にすると、応力が特定の何れかの辺に集中することが避けられ、製造中並びに製造後にデバイスが破壊されることを防ぎやすくなるという利点がある。
図５は、図４に示した圧電薄膜共振子の製造プロセスを説明するための図であり、これらの図は何れも、図４（ａ）におけるＢ−Ｂに沿った断面図として図示してある。先ず、Ｓｉ基板４１（あるいは石英基板）上に、犠牲層膜４８となるＭｇＯ（２０ｎｍ）をスパッタリング法や真空蒸着法により成膜する（図５（ａ））。犠牲層４８としては、ＭｇＯの他にも、ＺｎＯ、Ｇｅ、Ｔｉなど、エッチング液により容易に溶解できる材料であれば特に制限はない。ここで、犠牲層４８は後述の下部電極４３よりも薄く形成され、膜厚比（犠牲層膜厚／下部電極膜厚）が０．５以下であることが好ましい。次に、フォトリソとエッチングにより、犠牲層４８を所望の形状にパターニングする。
図６は、犠牲層４８のパターニングの形状の一例を示す図である。上部電極４５と下部電極４３が重なり合った部分のメンブレン部４６の形状を有するメンブレン対応領域４６´に加えて、エッチング液導入孔４７に繋がる流路４７´を備えている。流路４７´の数は図では２本しか示していないが、流路数と設置場所に限定があるわけではなく適宜変更が可能である。また、上部電極４５と下部電極４３が重なり合った部分のメンブレン部４６の大きさに対して、犠牲層４８のパターンサイズが一致する必要はないが、良好な共振器特性を得るには上部電極４５と下部電極４３が重なり合った部分の形状と相似形状であることが望ましい。
次に、下部電極４３、圧電膜４４、および上部電極４５を順次形成する（図５（ｂ））。下部電極４３は積層膜Ｒｕ（１００ｎｍ）／Ｃｒ（５０ｎｍ）とし、０．６〜１．２Ｐａの圧力下のＡｒガス雰囲気中でスパッタリング成膜され、さらにフォトリソとエッチングにより下部電極４３を所望の形状にパターニングする。これに続いて、圧電膜４４であるＡｌＮ（４００ｎｍ）を、約０．３Ｐａの圧力のＡｒ／Ｎ２混合ガス雰囲気中でＡｌターゲットを用いてスパッタリング成膜する。そして、上部電極４５のＲｕ（１００ｎｍ）膜を、０．６〜１．２Ｐａの圧力のＡｒガス雰囲気中でスパッタリング成膜する。このようにして成膜された積層体にフォトリソグラフィーとエッチング（ウェットエッチングまたはドライエッチング）を施し、上部電極４５と圧電膜４４とを所望の形状にパターニングする。
これに続いて、下部電極４３に対して、レジストパターニングによるフォトリソグラフィー技術によりエッチング液導入孔４７を形成し（図５（ｃ））、このエッチング液導入孔４７からエッチング液を導入して犠牲層４８をエッチング除去することで空隙４２を形成する（図４（ｄ））。ここで、犠牲層４８のエッチングは、下部電極４３、圧電膜４４および上部電極４５からなる積層体（複合膜）の応力が圧縮応力となるように実行される。このような応力条件を満足することにより、犠牲層４８のエッチング終了時点で、複合膜が膨れ上がり下部電極４３と基板４１との間にドーム形状の空隙４２を形成することができる。なお、上述のスパッタ成膜条件では、複合膜の応力は概ね（マイナス）１ＧＰａの圧縮応力であった。空隙４２の輪郭には直線成分を含まないため、歪のないドーム形状を得ることができ、複合膜の強度と共振特性のばらつきの低減とを両立させることができる。
図７および図８はこのようにして得られた圧電薄膜共振子の共振特性を説明するための図で、図７は基板としてＳｉを用いた圧電薄膜共振子、図８は基板として石英を用いた圧電薄膜共振子の共振特性を示している。なお、比較のために、バイアホールタイプの従来の圧電薄膜共振子の共振特性も同時に示した。これらの図に示されているように、本発明の圧電薄膜共振子において、バイアホールタイプの従来の圧電薄膜共振子と同等の共振特性を得ることができた。このことは、本発明の圧電薄膜共振子が備える圧電膜４４の配向性は、バイアホールタイプの従来の圧電薄膜共振子と同等の配向性となっていることを意味している。この配向特性は薄い犠牲層４８を用いたことにより得られる効果である。また、本発明の圧電薄膜共振子は、機械的強度、実装性、信頼性、および生産性に優れている。
実施例１では単一の圧電薄膜共振子のみについて説明したが、このような共振子を直列腕と並列腕にそれぞれラダー型に配置することによってバンドパスフィルタを構成することが可能である。
図９は、本実施例のバンドパスフィルタの構成を説明するための図で、実施例１で説明した圧電薄膜共振子を直列腕と並列腕にそれぞれラダー型に配置してバンドパスフィルタが構成されている。なお、ここでは圧電膜４４に下部電極４３が覆われている態様となっているが、後述するように、下部電極４３にエッチング液導入孔４７を形成する前に予め圧電膜４４に孔が形成されている。
本実施例では、直列腕に４個（Ｓ１〜Ｓ４）、並列腕に３個（Ｐ１〜Ｐ３）の圧電薄膜共振子が配置されている。圧電薄膜共振子の基本構造は実施例１で説明した圧電薄膜共振子と同じであるが、並列共振子の共振周波数を低下させてバンドパスフィルタ特性を得るために、並列共振子の上部電極膜上にさらに不図示のＳｉＯ２膜からなる付加膜（膜厚９０ｎｍ）が設けられている。
図１０は、図９に示したフィルタを構成する圧電薄膜共振子の製造プロセスを説明するための図であり、これらの図は何れも、図４（ａ）におけるＢ−Ｂに沿った断面図として図示してある。先ず、Ｓｉ基板４１（あるいは石英基板）上に、犠牲層膜４８となるＭｇＯ（２０ｎｍ）をスパッタリング法や真空蒸着法により成膜する（図１０（ａ））。犠牲層４８としては、ＭｇＯの他にも、ＺｎＯ、Ｇｅ、Ｔｉなど、エッチング液により容易に溶解できる材料であれば特に制限はない。犠牲層４８の成膜後、フォトリソとエッチングにより犠牲層４８を所望の形状にパターニングする。
次に、下部電極４３とこの下部電極４３に設けられるエッチング液導入孔４７を形成する（図１０（ｂ））。下部電極４３は積層膜Ｒｕ（１００ｎｍ）／Ｃｒ（５０ｎｍ）とし、０．６〜１．２Ｐａの圧力下のＡｒガス雰囲気中でスパッタリング成膜される。そして、成膜された下部電極４３にフォトリソグラフィー技術によりエッチング液導入孔４７を形成する。この時、所望の下部電極４３の電極形状とエッチング液導入孔４７を同時に形成してもよい。これにより、下部電極４３へのパターニング回数を削減することが可能となる。
これに続いて、圧電膜４４であるＡｌＮ（４００ｎｍ）をＡｌターゲットを用いてＡｒ／Ｎ２混合ガス雰囲気中で約０．３Ｐａの圧力下でスパッタリング成膜し、さらに上部電極４５のＲｕ（１００ｎｍ）膜をＡｒガス雰囲気中で０．６〜１．２Ｐａの圧力下でスパッタリング成膜する。このようにして成膜された積層体にフォトリソグラフィーとエッチング（ウェットエッチングまたはドライエッチング）を施し、上部電極４５と圧電膜４４を所望の形状にパターニングする（図１０（ｃ））。
これに続いて、エッチング液導入孔４７からエッチング液を導入して犠牲層４８をエッチング除去して空隙４２を形成する（図１０（ｄ））。ここで、犠牲層４８のエッチングは、下部電極４３、圧電膜４４および上部電極４５からなる積層体（複合膜）の応力が圧縮応力となるように実行される。このような応力条件を満足することにより、犠牲層４８のエッチング終了時点で、複合膜が膨れ上がり下部電極４３と基板４１との間にドーム形状の空隙４２を形成することができる。空隙４２の輪郭には直線成分を含まないため、歪のないドーム形状を得ることができ、複合膜の強度と共振特性のばらつきの低減とを両立させることができる。
図１１は、本実施例のフィルタ（５ＧＨｚ帯フィルタ）の帯域特性を示す図で、ここでは、基板として（１００）カットのＳｉ基板を用いている。なお、比較のために示した従来例のバイアホールタイプのフィルタには（１１１）カットのＳｉ基板を用いている。これらのフィルタにおいて、各層の膜厚は、犠牲層が２０ｎｍ、下部電極がＲｕ（１００ｎｍｎ）／Ｃｒ（５０ｎｍ）、圧電膜がＡｌＮ（４００ｎｍ）、上部電極がＲｕ（１００ｎｍ）程度である。図１１に示されているように、両フィルタの帯域幅には若干の差が認められるものの、損失やスカート特性などについては本実施例のフィルタとバイアホール型の従来フィルタとで同等の特性が得られている。このことは、本発明のフィルタが備える圧電膜４４の配向性が、バイアホールタイプと同等の配向性であることを意味している。
なお、基板、４１犠牲層４８、下部電極４３、圧電膜４４、上部電極４５、付加膜の各材料は上記のものに限定されず、従来例で示したような他の材料を使用してもよい。また、犠牲層エッチング用エッチング液の流路の数と形状および設置位置に限定はなく、フィルタ特性を劣化させない範囲で適宜変更が可能である。さらに、上記の膜構成は圧電薄膜共振子の主要構成要素のみを記しており、例えば、下部電極４３の下に補強あるいはエッチングのストップ層として誘電体層を設けたり、表面にパシベーション膜として誘電体層を設けたり、あるいは下部電極４３のパッド部分にバンプやワイヤ接続のための導電性の下地層を設けるなどしてもよい。
従来技術の異方性エッチングを使用した共振子では実用的なサイズの小型のフィルタを得ることが困難であったのに対して、上述した空隙４２を有する本発明の圧電薄膜共振子を用いてフィルタを作製すると、各共振子を近接して配置できフィルタの小型化が可能となる。
本発明は、機械的強度、実装性、信頼性、および生産性に優れ、かつ良好な圧電膜配向性を有する圧電薄膜共振子およびフィルタならびにそれらの製造方法を提供する。
１１、２１、３１、４１ 基板
１２、２２、３２ ＳｉＯ２膜
１３、２３、３３、４３ 下部電極
１４、２４、３４、４４ 圧電膜
１５、２５、３５、４５ 上部電極
１６ バイアホール
２６、３６ キャビティ
４２ 空隙
４６ メンブレン部
４７ エッチング液導入孔
４８ 犠牲層
１２、２２、３２ ＳｉＯ２膜
１３、２３、３３、４３ 下部電極
１４、２４、３４、４４ 圧電膜
１５、２５、３５、４５ 上部電極
１６ バイアホール
２６、３６ キャビティ
４２ 空隙
４６ メンブレン部
４７ エッチング液導入孔
４８ 犠牲層
Claims (12)
- 素子基板の平坦主面上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層された複合膜を備え、前記圧電膜を挟む前記上部電極と前記下部電極との重なり領域であるメンブレン領域に対応する前記素子基板の領域には前記下部電極との間にドーム状の膨らみを有する空隙が設けられていることを特徴とする圧電薄膜共振子。
- 前記空隙は前記素子基板面上への投影形状が閉曲線からなる輪郭を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記空隙の前記素子基板面上への投影形状は、前記メンブレン領域の前記素子基板面上への投影形状と相似形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電薄膜共振子。
- 前記複合膜の応力は圧縮応力であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の圧電薄膜共振子。
- 前記素子基板には、前記空隙に通じる孔部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の圧電薄膜共振子。
- 前記圧電膜は、（００２）方向を主軸とする配向性をもつ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の圧電薄膜共振子。
- 請求項１乃至６の何れかに記載の圧電薄膜共振子を複数組み合わせて構成されていることを特徴とするフィルタ。
- 素子基板の平坦主面上に犠牲層をパターン形成する第１のステップと、
前記犠牲層上に前記素子基板の主面に接する下部電極をパターン形成する第２のステップと、
前記下部電極上に圧電膜を形成する第３のステップと、
前記圧電膜上に一部領域が前記下部電極と重なる上部電極をパターン形成する第４のステップと、
前記犠牲層の表面の一部が露出するように前記下部電極の一部に開口部を形成する第５のステップと、
前記開口部からエッチング液を導入して前記下部電極下方の犠牲層を除去し空隙を形成する第６のステップと、を備えていることを特徴とする圧電薄膜共振子の製造方法。 - 素子基板の平坦主面上に犠牲層をパターン形成する第１のステップと、
前記犠牲層上に前記素子基板の主面に接する下部電極をパターン形成する第２のステップと、
前記犠牲層の表面の一部が露出するように前記下部電極の一部に開口部を形成する第３のステップと、
前記下部電極上に圧電膜を形成する第４のステップと、
前記圧電膜上に一部領域が前記下部電極と重なる上部電極をパターン形成する第５のステップと、
前記開口部からエッチング液を導入して前記下部電極下方の犠牲層を除去し空隙を形成する第６のステップと、を備えていることを特徴とする圧電薄膜共振子の製造方法。 - 前記第１のステップにより形成される前記犠牲層のパターンは、前記空隙と前記開口部とを結ぶ流路部を有していることを特徴とする請求項８または９に記載の圧電薄膜共振子の製造方法。
- 前記犠牲層は前記下部電極よりも薄く形成され、膜厚比（犠牲層膜厚／下部電極膜厚）が０．５以下であることを特徴とする請求項８乃至１０の何れかに記載の圧電薄膜共振子の製造方法。
- 圧電薄膜共振子を複数組み合わせて構成されたフィルタの製造方法であって、該圧電薄膜共振子の少なくとも１つは請求項８乃至１１の何れかに記載された方法により製造されたものであることを特徴とするフィルタの製造方法。
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