JP2006211589A - 圧電薄膜デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電薄膜共振子は圧電体層の結晶性により共振子の特性が大きく左右される。良好な圧電体層を形成するためには、下部電極層が圧電層の下地層となるため、良好な電極層（特に下部電極層）が必要となる。そのため結晶性の優れた電極層及びその製造方法が必要である。
【解決手段】圧電薄膜デバイスにおいて、下部電極層形成後に電極層の形成時の温度より高い温度で一定時間加熱された電極層で形成されていることを特徴とする圧電薄膜デバイス及びその製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電薄膜デバイス及びその製造方法に関するものであり、特に多層の音響反射層を用いた音響多層膜型の圧電薄膜デバイス及びその製造方法に関する。

コンピュータや通信機器などの電子機器は、電子部品の一つである振動子より得られる規則的な信号（高周波信号）に基づいて様々な処理が行われている。また、これらの電子機器においては、振動子の特定の振動モードを利用した周波数フィルタも用いられている。このように電子機器に利用されている振動子（振動素子として圧電材料を使用している場合は圧電振動子という）には、水晶などの圧電材料を平板状に加工して得られる圧電素板が用いられており、水晶を圧電材料として用いた水晶振動子では、その基本共振周波数を高くするためには、水晶による圧電素板の厚みを薄くすればよい。例えば、水晶において厚みすべり振動モードを励振するＡＴカット水晶素板の場合では、その素板の厚みを２５μｍ程度とすることで、約６７ＭＨｚの基本波共振周波数が得られる。

しかしながら、これ以上のより高い基本共振周波数（例えば数百ＭＨｚ以上）を得るためには、更に圧電素板の板厚をより薄くすることになるが、板厚が薄いほど機械加工が困難となり、また、実用的な機械強度が得られない。このような高周波に対応するデバイスとしては弾性表面波を利用したＳＡＷデバイス（Surface Acoustic Wave Device）が用いられているが、これと比較すると、より高周波化（超高周波化）に対応可能である圧電薄膜デバイスが注目されており、そのうち、基板の上に誘電体層を含む多層の音響反射層を介して圧電体層を設けた、音響多層膜（ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator））型の圧電薄膜デバイスが開発されている（非特許文献１）。

近年、通信システムの超高周波帯への移行が進められているなかで、圧電薄膜デバイスのうち例えば圧電薄膜振動子は、超高周波帯で安定に動作させることが可能な超高周波用弾性波素子として注目されている。ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子は、基板の上に音響インピーダンスの異なる２種類の薄膜（λ／４）を交互に積層した音響多層膜の上に、λ／２の厚さの圧電薄膜を形成したものである。

この構成によれば、圧電薄膜は、多層の音響反射層により基板から音響的に切り離され、Ｑ値の高い共振を得ることが可能になる。また、圧電薄膜の下面全域が音響反射層により固定されているので、安定した動作が可能となる。また、音響多層膜型の圧電薄膜振動子に、ＳｉＯ２の薄膜を付加して温度特性を改善する技術が提案されている（非特許文献２）。また、新たな膜を付加することなく、温度特性を改善する技術も提案されている。

K.M.Lakin,et al. Development of Miniature Filters for Wireless Applicationst, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.43, No.12, p2933, December 1995. K.M.Lakin,et al. Temperature Compensated Bulk Acoustic Thin Film Resonator, IEEE Ultrasonics Symposium paper 3H-2, October 24,2000.

このような音響多層膜型の圧電薄膜デバイスの構造は、従来のダイアフラム型に対して、大気開放のための空隙構造を作成するために立体的な加工が必要ない。また、圧電体層、導電層、誘電体層といった薄膜を単独で形成する必要が無く、外的ストレス及び膜内部応力といったデバイスを破壊する外力及び内力に対して強靭な構造を持っている。このように音響多層膜型の圧電薄膜デバイスは、無線通信用のデバイスとして優れた特性を有している。

このように音響多層膜型およびダイアフラム型の圧電薄膜デバイスは非常にすぐれた特性を有しているが、圧電体層を薄膜形態で形成するために、その電気特性は圧電体層及び誘電体層を含む音響多層膜の製造条件により大きく異なる。

通常圧電体層を構成する薄膜の材料として、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ＰＺＴ、五酸化タンタル等の圧電材料が用いられる。このような圧電材料を薄膜形態に作製する方法としては、ＭＯＣＶＤ、スパッタ、蒸着、ゾルーゲル法等が広く行われている。何れの方法を用いた場合でも、作成された圧電体層の性能はその作製条件に大きく左右されることは周知の事実である。

また圧電体層はその電気特性を引き出すために結晶化もしくは配向化する必要がある。この場合圧電体層の下地層の状態により、圧電体層の結晶性が大きく影響される。例えば圧電薄膜振動子では、圧電体層に電圧を印加するために、圧電体層を金属導体で挟みこむ構造となっている。即ち下部電極層が圧電体層を形成する際の下地層となる。

下地層（下部電極層）の状態と圧電体層の状態の関係については、特開２００１−２７４６５０号公報又は特開２００１−３１３５３５号公報に記載開示されているが、一般的に下地層の結晶性を向上させると圧電体層の結晶も向上すると言われている。本発明は、圧電薄膜振動子を含む圧電薄膜デバイスにおいて、下地層である下部電極層の新たな作製方法用いて、良好な結晶性を持つ下部電極層を形成することにより、圧電特性の良い圧電薄膜デバイスを形成することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明おける一手段は、基板と、この基板上に形成された少なくとも一層以上の圧電体層と、この圧電体層には電極層を有し、基板と圧電体層との間に少なくとも誘電体層が形成された圧電薄膜デバイスにおいて、
該電極層形成後に該電極層の形成時の温度より高い温度で一定時間加熱された該電極層で形成されていることを特徴とする圧電薄膜デバイスである。

又、前記電極層がＡｕ層とＴｉ層より形成されており、このＴｉ層が誘電体層上に形成され、Ｔｉ層の上にＡｕ層が形成されていることを特徴とする前段落に記載の圧電薄膜デバイスでもある。

更に、前記電極層の形成温度が１００℃以下であり、且つ電極層の形成後の加熱温度が３００℃以上であることを特徴とする前段落及び前々段落に記載の圧電薄膜デバイスでもある。

更に又、前記誘電体層が酸化珪素であることを特徴とする上記各段落に記載の圧電薄膜デバイスでもある。

又、前記圧電体層が酸化亜鉛、窒化アルミニウムであることを特徴とする上記各段落に記載の圧電薄膜デバイスでもある。

更に、前記基板と圧電体層の間に、誘電体層を含む多層の音響反射層が形成されていることを特徴とする上記各段落に記載の圧電薄膜デバイスでもある。

更に又、前記音響反射層が、酸化珪素、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムから成る層が組み合わされ積層したものであることを特徴とする前段落に記載の圧電薄膜デバイスでもある。

上記課題を解決するための本発明における他の手段は、基板と、この基板上に形成された少なくとも一層以上の圧電体層と、この圧電体層には電極層を有し、基板と圧電体層との間に少なくとも誘電体層が形成する圧電薄膜デバイスの製造方法において、
前記電極層を形成した後で、電極層を形成したデバイスを、電極層の形成時の温度より高い温度で一定時間加熱することを特徴とする圧電薄膜デバイスの製造方法である。

又、前記電極層がＡｕ層とＴｉ層より成り、Ｔｉ層を誘電体層上に形成し、Ｔｉ層の上にＡｕ層を形成することを特徴とする前段落に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法でもある。

更に、前記電極層の形成温度が１００℃以下であり、且つ電極層を形成後に加熱する温度が３００℃以上であることを特徴とする前段落及び前々段落に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法でもある。

更に又、前記誘電体層が酸化珪素であることを特徴とする上記各段落に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法でもある。

又、前記圧電体層が酸化亜鉛、窒化アルミニウムであることを特徴とする上記各段落に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法でもある。

更に、前記基板と圧電層の間に、誘電体層を含む多層の音響反射層を形成する上記各段落に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法でもある。

更に又、前記音響反射層を、酸化珪素、酸化亜鉛、窒化アルミニウム或いは酸化アルミニウムの層が組み合わせて積層したことを特徴とする前段落に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法でもある。

以上、本発明に係る圧電薄膜デバイス及びその製造方法によれば、所望のパターンに形成した金属により形成する電極層を、電極層形成後に、電極層形成時の温度より高い温度を加熱することで、電極層の結晶性が向上する。このことにより電極層の上に形成する圧電体層の結晶性も同じく向上するので、高性能な共振特性を有する圧電薄膜デバイスを提供することが可能となる効果を奏する。

以下、添付した各図面に従って本発明の実施形態を説明する。なお、各図において説明を明りょうにするため図面の一部を図示していない。又、図面内の各寸法も一部誇張して図示しており、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。

図１に本発明の圧電薄膜デバイスの一つである圧電薄膜振動子１の模式図を示す。この図1を使用して順を追って本発明の実施の形態を、実施例を基に説明する。

最初に圧電薄膜振動子１を形成するための基板２を準備する。本実施例においては、Ｓｉ（１１１）基板を使用する。また、このＳｉの基板２は高抵抗基板を用い、その比抵抗は１０００Ω／ｃｍ以上の抵抗値を持つ基板である。尚、その他の基板の条件は、通常の半導体用Ｓｉ基板と同一とする。しかし、基板の材料としてはＳｉに限定されるものでは無く、他に水晶基板、ガラス基板等の材料を用いることができる。またＳｉ基板上に熱酸化Ｓｉが形成された基板を用いてもよい。好ましくは、絶縁材料が望まれるが、適切な絶縁処理を施すことにより、低抵抗Ｓｉ等の導電性のある基板も使用可能である。

この基板２を通常の半導体プロセスで用いるような洗浄工程を施す。その後、音響反射層群３を構成する各音響反射層３ａ及び３ｂを形成する。この音響反射層３ａ及び３ｂは、材料の密度と硬さにより決定される音響インピーダンスの異なる材料で構成されている。図２に音響反射層群３を開示した模式図を示す。図２のように、音響インピーダンスが異なる音響反射層３ａ及び３ｂを交互に規則正しく形成することで、音響波の反射と透過の条件を満たすことにより、後述する圧電層４で発生した音響エネルギーが、基板２へ漏洩することなく、音響反射層群３と圧電層４最上面の間に、エネルギーが閉じ込められ、高性能な圧電薄膜デバイスを作製することができる。

本発明において、音響反射層群３の構造は図２の通り、音響反射層として高音響インピーダンス層３ｂと低音響インピーダンス層３ａの２層を用いた。構成は、基板２側から低音響インピーダンス層３ａを形成し、その上に高音響インピーダンス層３ｂを形成する。この組み合わせを３〜４セット形成し、最後に低音響インピーダンス層３ａを形成し、音響反射層群３を完成させた。

本実施例においては、高音響インピーダンス層３ｂの少なくとも一層に酸化亜鉛を使用し、低音響インピーダンス層３ａとして誘電体である酸化珪素を使用した。酸化亜鉛は、酸化珪素の約２．５倍の音響インピーダンスを持っているため、この２種類の材料は、音響反射層を形成する物質として使用可能である。また、酸化亜鉛は、水晶等の圧電材料と比較すると大きな電気機械結合係数を持つ優れた圧電材料である。この酸化亜鉛を圧電層と高音響インピーダンス層３ｂに使用できれば、製造設備の削減及び管理コストの低減が可能となる。

この音響反射層は、圧電体層で発生した音響エネルギーが基板へ漏れ出ることを防止するために作製している。そのため、基板の中で圧電薄膜により発生した音響エネルギーが漏れ出る部分をドライエッチング法やウエットエッチング法により削除すれば、音響反射層を形成する必要は無い。

さて、この音響反射層群３の上に、圧電層４に電圧を印加するための金属よりなる下部電極層５を形成する。本発明においては、Ａｕ層５ｂとＴｉ層５ａを積層して形成した下部電極層５を用いた。尚、下部電極層５の形成方法はリフトオフ方式を用い、電極層金属の成膜方法はエレクトロンビームを用いた蒸着法を用いた。本実施例では、以上の方法で下部導電層５を作成したが、エッチング法及びスパッタを始めとする既知の方法を使用しても構わない。

この下部電極層５を覆うように圧電体層４を形成する。本実施例では、音響反射層を構成する高音響インピーダンス層３ｂの少なくとも一層と同一の材料である酸化亜鉛を圧電体層４として使用した。圧電体層４を作成に用いる製法は、音響反射層３ａ又は３ｂを作成する方法と同様とした。

この圧電体層４の上に、先に作成した下部導電層５と対になる上部導電層６を作成する。本実施例では、下部導電層５と同様の製法で作成した。また上部導電層６の作成方法も、下部導電層５と同様に、既知の作成方法の使用を制限するものでは無い。また必要に応じて、下部導電層５をデバイス外部の端子に接続する必要がある場合や、下部電極層５と上部電極層６を電気的に接続する必要がある場合には、上部電極層６を形成する前に、圧電層４の一部を取り除くことがある。

また、酸化亜鉛は、負の周波数温度係数を持っているため周波数の温度特性が０ではない。それに対して二酸化珪素は酸化亜鉛とは逆に正の周波数温度係数を有している。そのため、酸化亜鉛と酸化珪素とを組み合わせることで、所望の周波数温度係数を持つ圧電薄膜デバイスを作成することが可能である。本実施例では、上部電極層６の上側、もしくは上部電極層６と圧電体層４の間等に酸化珪素の層を追加して形成する事により、周波数温度係数を調整している。

図３に、従来の方法で作成した音響多層膜型の圧電薄膜振動子の電気特性を示す。図３に示すとおり、所望の周波数に共振特性を僅かに得ているものの、その性能は十分ではなく、振動子としての実用に耐え得るものではない。

この特性劣化の要因を解決した発明実施結果としては、下部電極層５をＡｕ層５ｂとＴｉ層５ａで作成した圧電薄膜振動子の共振特性から判断すると、下部電極を作成した後、熱的な処理は何も施さずに、下部電極層５の上に圧電体層４を形成した場合の圧電薄膜振動子の共振特性より、下部電極を同じくＡｕ層とＴｉ層で形成し、その後４００℃で２時間加熱した後、圧電体層４を形成した圧電薄膜振動子の共振特性の方が優れた共振特性を示めす。

従来、圧電薄膜デバイスに使用される電極層としてＡｕ層及びＴｉ層の膜は多くの実施例がある。しかし、Ａｕ層及びＴｉ層よりなる下部電極層５を形成した後の熱処理による結晶性を開示したものは無い。またＡｕ層及びＴｉ層より成る電極層を形成した後に熱処理を施した場合の圧電薄膜デバイスの共振特性を論じたものも無い。

本実施例では、Ａｕ層及びＴｉ層よりなる下部電極層５の形成後に施す熱処理が与える下部電極層５の結晶性の影響について検討を重ねた。その結果、下部電極層下の層の材質に寄らず、形成後の熱処理は下部電極層５の結晶性に変化をもたらすことが判明した。

図４にＡｕ層５ｂ及びＴｉ層５ａよりなる下部電極層５の形成後に熱処理した場合のその前後に評価したＸ線回折を示す。図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれＳｉ基板上に音響多層膜が形成し、その上にＴｉ層を５０ｎｍ、Ａｕ層を３００ｎｍ形成した後、図４（ａ）は下部電極層５形成直後に、また図４（ｂ）は下部電極層５を形成後４００℃で加熱処理をした後に、Ａｕ層の（１１１）面のロッキングカーブの測定結果である。熱処理前後でロッキングカーブの半値幅が４．８°から２．９°へと改善された。この結果から電極層形成後の加熱処理は、電極の結晶性に対して大きな改善効果があることが判明した。

更に、詳細な検討を行った結果、加熱する温度は約２００℃で電極層の結晶性改善効果が表れ始めるが、特性が良好な結晶性改善には３００℃以上の加熱温度が望ましい。また加熱時間については、基板が設定する加熱温度に到達してから３０分以上加熱すれば結晶性改善効果が得られることが判明した。またデバイスを加熱する場合の加熱容器内環境については、本実施例においては１×１０^−２Ｐａ以下の真空中で行ったが、加熱容器内に不活性ガスを置換しても良く、雰囲気は窒素ガス、水素ガス等に変更しても同様の効果が得られる。

尚、実施例においては音響多層膜構造の共振子を用いたが、ダイアフラム型の共振子においても同様の効果が得られる。また電極層に用いる金属はＡｕ以外にも同様の効果が得られるが、結晶構造が立方晶でありその優先配向面が（１１１）面である金属であると優位的にその効果を得ることができる。また電極層金属の作製方法については、本実施例では真空蒸着法を用いているがスパッタ方式等他の作製方法を用いても問題ない。

電極層の形成温度についての検討の結果より、１００℃より高い温度環境下で電極層を形成すると、形成後の加熱処理効果が低減するので、電極層の形成時の温度は１００℃以下が望ましい。更に本実施例では、圧電体層に酸化亜鉛を使用し、音響多層膜には酸化亜鉛と誘電体の酸化珪素を用いたが、本発明の効果は材料の組み合わせを特定するものではない。

図１は、本発明における圧電薄膜デバイス（ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子）の一実施形態の構成例を概略的に示す模式的な斜視図である。 図２は、本発明における圧電薄膜デバイス（ＳＭＲ型の圧電薄膜振動子）の一実施形態の構成例を概略的に示す模式的な部分断面図である。 図３は、従来の方法で作成した音響多層膜型の圧電薄膜振動子の電気特性を示す。 図４において、図４（ａ）はＳｉ基板上に音響多層膜が形成し、その上にＴｉ層及びＡｕ層より形成した下部電極層５形成直後のＡｕ層の（１１１）面のロッキングカーブはあり、また図４（ｂ）は、Ｓｉ基板上に音響多層膜が形成し、その上にＴｉ層及びＡｕ層より形成した下部電極層５を形成後４００℃で加熱処理をした後のＡｕ層の（１１１）面のロッキングカーブである。

符号の説明

１・・・圧電薄膜デバイス（圧電薄膜振動子）
２・・・基板
３・・・音響反射膜群
３ａ・・・音響反射層（低音響インピーダンス層（誘電体層））
３ｂ・・・音響反射層（高音響インピーダンス層）
４・・・圧電層
５・・・下部電極層
５ａ・・・Ｔｉ層
５ｂ・・・Ａｕ層

Claims (14)

1. 基板と、該基板上に形成された少なくとも一層以上の圧電体層と、該圧電体層には電極層を有し、該基板と該圧電体層との間に少なくとも誘電体層が形成された圧電薄膜デバイスにおいて、
   該電極層形成後に該電極層の形成時の温度より高い温度で一定時間加熱された該電極層で形成されていることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
2. 該電極層がＡｕ層とＴｉ層より形成されており、該Ｔｉ層が該誘電体層上に形成され、該Ｔｉ層の上にＡｕ層を形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜デバイス。
3. 該電極層の形成温度が１００℃以下であり、且つ該電極層が形成後の加熱温度が３００℃以上であることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の圧電薄膜デバイス。
4. 該誘電体層が酸化珪素であることを特徴とする請求項１、請求項２及び請求項３に記載の圧電薄膜デバイス。
5. 該圧電体層が酸化亜鉛、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１、請求項２及び請求項３に記載の圧電薄膜デバイス。
6. 該基板と該圧電体層の間に、該誘電体層を含む多層の音響反射層が形成されていることを特徴とする請求項１、２、３及び４に記載の圧電薄膜デバイス。
7. 該音響反射層が、酸化珪素、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムから成る層の組み合わされたものであることを特徴とする請求項６に記載の圧電薄膜デバイス。
8. 基板と、該基板上に形成された少なくとも一層以上の圧電体層と、該圧電体層には電極層を有し、該基板と該圧電体層との間に少なくとも誘電体層が形成する圧電薄膜デバイスの製造方法において、
   該電極層を形成した後で、該電極層を形成したデバイスを、該電極層の形成時の温度より高い温度で一定時間加熱することを特徴とする圧電薄膜デバイスの製造方法。
9. 該電極層がＡｕ層とＴｉ層より成り、該Ｔｉ層を該誘電体層上に形成し、該Ｔｉ層の上にＡｕ層を形成することを特徴とする請求項８に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
10. 該電極層の形成温度が１００℃以下であり、且つ該電極層が形成後の加熱温度が３００℃以上であることを特徴とする請求項８及び請求項９に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
11. 該誘電体層が酸化珪素であることを特徴とする請求項８、請求項９及び請求項１０に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
12. 該圧電体層が酸化亜鉛、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項８、請求項９、請求項１０及び請求項１１に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
13. 該基板と該圧電層の間に、該誘電体層を含む多層の音響反射層を形成する請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１及び請求項１２に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
14. 該音響反射層を、酸化珪素、酸化亜鉛、窒化アルミニウム或いは酸化アルミニウムの層を組み合わせて形成したことを特徴とする請求項１３に記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。

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