JP2006217188A - 薄膜圧電共振器及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 薄膜圧電共振器1の製造方法において、基板2上に第1の電極層を形成する工程と、第1の電極層上に第1の圧電体層を形成する工程と、第1の圧電体層をパターンニングして第1の圧電体61を形成し、第1の電極層をパターンニングして第1の電極5を形成する工程と、第1の圧電体61の表面をクリーニングする工程と、第1の圧電体61のクリーニングされた表面上に第2の圧電体63を形成し、圧電体6を形成する工程と、圧電体6上に第2の電極82を形成する工程とを備える。
【選択図】 図1
Description
[薄膜圧電共振器の構造]
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る薄膜圧電共振器1は、基板2と、基板2上の第1の電極(下部電極)5と、第1の電極5上に配設されこの第1の電極5上面形状と同一の下面形状を有する第1の圧電体61及びこの第1の圧電体61上の第2の圧電体63を備えた圧電体(圧電体結晶薄膜)6と、圧電体6上の第2の電極82とを備えている。更に、薄膜圧電共振器1は、基板2上の絶縁体3と、絶縁体3と第1の電極5との間に配設された下地層4と、第1の電極5の一部(側面の一部)に電気的に接続された引出電極81と、圧電体6の側面の一部と第2の電極82との間に配設された絶縁性を有するスペーサ7と、圧電体6下において基板2及び絶縁体3を貫通し下地層4の裏面を露出する穴(ビアホール)9とを備えている。
第1の実施の形態に係る薄膜圧電共振器1は、圧電体6のc軸配向性を向上する最適な金属材料(導電性材料)を下地層4として形成し、この下地層4上に第1の電極層を成膜し、この第1の電極層表面の結晶配向性を、この第1の電極層表面上に成膜される圧電体6に高く引き継がせる製造方法を利用して製作されている。すなわち、この製造方法の基本的な概要は以下の通りである。
次に、薄膜圧電共振器1に使用する圧電体6の結晶配向性の評価結果について、図2を使用して説明する。
次に、前述の実施例1に係る薄膜圧電共振器1の具体的な製造方法を説明する。まず最初に、1kΩcm以上の高い比抵抗値を有するのSi基板を基板2として準備し、この基板2の(100)結晶表面上の全域に絶縁体3を形成する(図3参照。)。絶縁体3には、1μmの膜厚を有する例えば熱酸化法により形成した酸化シリコン膜を使用する。
このように製造された薄膜圧電共振器1において、周波数特性を測定した結果、共振周波数は2.0GHzであり、電気機械結合係数は6.0%、品質係数Qは共振点において720、反共振点において650という極めて優れた周波数特性を得ることができた。この機械結合係数値はAlN圧電体物質から理論的に期待される最大値の91%に達成している。
前述の薄膜圧電共振器1においては、例えば図12に示す高周波フィルタ100、図13に示すVCOに備えることができる。図12に示す高周波フィルタ100は、入力端子P1及びP2と、出力端子P3及びP4と、直列的に挿入される薄膜圧電共振器1(1)及び1(2)と、並列的に挿入される薄膜圧電共振器1(3)及び1(4)とを備えている。
本発明の第2の実施の形態は、前述の第1の実施の形態に係る薄膜圧電共振器1において、圧電体6に接続する第2の電極構造を変えた例を説明するものである。なお、第2の実施の形態並びにこれ以降の実施の形態において、特に各構成要素の材質、膜厚、成膜条件等の説明がない場合には、前述の第1の実施の形態において説明した同一符号が付された各構成要素の材質、膜厚、成膜条件等と同一若しくは同等である。
第2の実施の形態に係る薄膜圧電共振器1の製造方法は、まず最初に、基板2を準備し、この基板2表面上の全域に絶縁体3を形成する(前述の図3参照。)。前述の図3に示すように、絶縁体3表面上の全域に下地層4を形成する。下地層4には高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜した非晶質Al0.6Ta0.4膜を使用し、その膜厚は30nmに設定される。
このように製造された薄膜圧電共振器1において、周波数特性を測定した結果、共振周波数は2.0GHzであり、電気機械結合係数は6.65%、品質係数Qは共振点において900、反共振点において790という極めて優れた周波数特性を得ることができた。この機械結合係数値はAlN圧電体物質から理論的に期待される最大値に匹敵している。
本発明の第3の実施の形態は、前述の第1の実施の形態に係る薄膜圧電共振器1において、第1の電極5下に配設された穴9に代えて空洞を配設した例を説明するものである。
第3の実施の形態に係る薄膜圧電共振器1の製造方法は、まず最初に、基板2を準備し、この基板2表面上の全域に絶縁体3を形成する(図25参照。)。図示しないが、絶縁体3表面上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを利用して絶縁体3にパターンニングを行い、図25に示すように、第1の電極5が形成される領域において絶縁体3の一部を選択的に除去し、絶縁体3に溝30を形成する。この溝30は将来的に空洞となる部分である。パターンニングには、フッ化アンモニウム溶液によるウエットエッチングを実用的に使用することができる。
このように製造された薄膜圧電共振器1において、周波数特性を測定した結果、共振周波数は2.0GHzであり、電気機械結合係数は6.5%、品質係数Qは共振点において820、反共振点において750という極めて優れた周波数特性を得ることができた。この機械結合係数値はAlN圧電体物質から理論的に期待される最大値に匹敵している。
本発明の第4の実施の形態は、前述の第2の実施の形態に係る薄膜圧電共振器1において、第1の電極5下に配設された穴9に代えて音響ミラー反射層を配設した例を説明するものである。
第4の実施の形態に係る薄膜圧電共振器1の製造方法は、まず最初に、基板2を準備し、この基板2表面上の全域に第1の絶縁体101、第2の絶縁体102、第3の絶縁体103、第4の絶縁体104のそれぞれを順次形成する(図34参照。)。第1の絶縁体101、第3の絶縁体103のそれぞれには熱CVD(Chemical vapor deposition)法により成膜された窒化シリコン膜を使用し、第2の絶縁体102、第4の絶縁体104のそれぞれにはプラズマCVD法により成膜された酸化シリコン膜を使用する。
このように製造された薄膜圧電共振器1において、周波数特性を測定した結果、共振周波数は2.0GHzであり、電気機械結合係数は5.5%、品質係数Qは共振点において600、反共振点において550という極めて優れた周波数特性を得ることができた。この機械結合係数値は、音響ミラー反射層10を備えた薄膜圧電共振器1としては、AlN圧電体物質から理論的に期待される最大値に匹敵している。
2 基板
35 空洞
4 下地層
5 第1の電極
6 圧電体
7 スペーサ
61 第1の圧電体
63 第2の圧電体
81 引出電極
82 第2の電極
9 穴
10 音響ミラー反射層
Claims (14)
- 基板上に第1の電極層を形成する工程と、
前記第1の電極層上に第1の圧電体層を形成する工程と、
前記第1の圧電体層をパターンニングして第1の圧電体を形成し、第1の電極層をパターンニングして第1の電極を形成する工程と、
前記第1の圧電体の表面をクリーニングする工程と、
前記第1の圧電体のクリーニングされた表面上に第2の圧電体を形成し、前記第1の圧電体上に前記第2の圧電体を積層した圧電体を形成する工程と、
前記圧電体上に第2の電極を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法。 - 前記第1の圧電体を形成する工程は第1の窒化アルミニウム圧電体を形成する工程であり、第2の圧電体を形成する工程は第2の窒化アルミニウム圧電体を形成する工程であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
- 前記第1の電極を形成する工程はアルミニウムを主成分とする電極を形成する工程であることを特徴とする請求項2に記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
- 前記第1の圧電体の表面をクリーニングする工程はイオンスパッタリングを使用して前記第1の圧電体の清浄面を出す工程であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
- 前記第1の電極層上に第1の圧電体層を形成する工程は前記第1の電極層上にその(111)配向に従って結晶方位を揃えた前記第1の圧電体層を形成する工程であることを特徴とする請求項3に記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
- 前記圧電体を形成する工程は、前記第1の圧電体層上にその表面の結晶粒子の結晶方位を引き継いだ結晶粒子を備えた前記第2の圧電体を積層し、前記圧電体を形成する工程であることを特徴とする請求項5に記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
- 前記基板上に前記第1の電極層の配向性を整える下地層を形成する工程を更に備え、
前記基板上に第1の電極層を形成する工程は、前記下地層を形成した後に、この下地層上に前記第1の電極層を形成する工程であることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の薄膜圧電共振器の製造方法。 - 前記第1の電極下において、前記基板表面に空洞を形成する工程を更に備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
- 前記基板と前記第1の電極との間に、音響ミラーを形成する工程を更に備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
- 基板と、
前記基板上の第1の電極と、
前記第1の電極上に配設されこの第1の電極上面形状と同一の下面形状を有する第1の圧電体及びこの第1の圧電体上に積層された第2の圧電体を備えた圧電体と、
前記圧電体上の第2の電極と、
を備えたことを特徴とする薄膜圧電共振器。 - 前記第1の電極の各結晶粒子、前記第1の圧電体の各結晶粒子のそれぞれは互いに隣り合う位置において同一の結晶方位を備え、
前記第1の圧電体の各結晶粒子、前記第2の圧電体の各結晶粒子のそれぞれは互いに隣り合う位置において同一の結晶方位を備えていることを特徴とする請求項10に記載の薄膜圧電共振器。 - 前記基板表面において、前記第1の電極下に空洞を更に備えたことを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の薄膜圧電共振器。
- 前記基板と前記第1の電極との間に、音響ミラーを更に備えたことを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の薄膜圧電共振器。
- 基板と、
前記基板上のタンタルアルミニウム下地層と、
前記タンタルアルミニウム下地層上のアルミニウムを主成分とする第1の電極と、
前記第1の電極上の第1の窒化アルミニウム圧電体及びこの第1の窒化アルミニウム圧電体上の第2の窒化アルミニウム圧電体を備えた圧電体と、
前記圧電体上の第2の電極と、
を備えたことを特徴とする薄膜圧電共振器。
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