JP2007282192A - 圧電薄膜デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくい圧電薄膜デバイスを提供する。
【解決手段】圧電薄膜フィルタ１は、支持基板１１の上に、接着層１２、キャビティ形成膜１３、下面電極１４、圧電体薄膜１５及び上面電極１６をこの順序で積層した構造を有している。上面電極１６１及び１６２は、それぞれ、励振領域Ｅ１において圧電体薄膜１５を挟んで下面電極１４と対向して圧電薄膜共振子Ｒ１及びＲ２を形成する。上面電極１６３は、非励振領域Ｅ２において圧電体薄膜１５を挟んで下面電極１４と対向する。圧電体薄膜１５には、圧電体薄膜１５の上面と下面との間を貫通し、非励振領域Ｅ２において圧電体薄膜１５を挟んで対向する上面電極１６３と下面電極１４とを導通させる１０個の下面電極導通穴ＨＬが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスに関する。

図１８は、従来の圧電薄膜共振子９の主要部の概略構成を示す斜視図である。

図１８に示すように、圧電薄膜共振子９は、圧電体薄膜９１と、励振領域９１１において圧電体薄膜９１を挟んで対向するように圧電体薄膜９１の上面及び下面にそれぞれ形成された上面電極９２及び下面電極９３とを備える。

圧電薄膜共振子９では、下面電極９３が露出していない場合、非励振領域９１２において圧電体薄膜９１を挟んで下面電極９３と対向するような上面電極９４を圧電体薄膜９１の上面に形成し、上面電極９４と下面電極９３との容量結合により下面電極９３を間接的に引き出していた。

なお、特許文献１は、従来の圧電薄膜共振子に関する先行技術文献である。

特開２００３−３１８６９５号公報

しかし、従来の圧電薄膜共振子では、インパルス応答等により、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けやすくなるという問題があった。

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくい圧電薄膜デバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスであって、圧電体薄膜と、励振領域において前記圧電体薄膜を挟んで対向するように前記圧電体薄膜の第１主面及び第２主面にそれぞれ形成された第１電極及び第２電極と、非励振領域において前記圧電体薄膜を挟んで前記第１電極と対向するように前記圧電体薄膜の第２主面に形成された第３電極とを備え、前記圧電体薄膜には、前記第１主面と前記第２主面との間を貫通し、前記第１電極と前記第３電極とを導通させる導通穴が形成されている。

請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記導通穴の径が、前記圧電体薄膜の膜厚の２倍以上２０倍以下である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記導通穴の間隔が、前記導通穴の径の２倍以上である。

請求項４の発明は、請求項３に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記導通穴の間隔が、前記導通穴の径の３倍以上である。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記導通穴の内側面の全体又は一部分が、前記第１主面及び前記第２主面に垂直な方向に対して傾斜している。

請求項６の発明は、請求項５に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記導通穴の径が、前記第１主面及び前記第２主面の一方から他方へ向かって小さくなる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記圧電体薄膜を支持する支持体と、前記圧電体薄膜の前記第１主面を前記支持体に接着する接着層とをさらに備える。

請求項１ないし請求項７の発明によれば、第１電極が露出していない場合でも第１電極を直接引き出すことができるので、圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性がスプリアスの影響を受けにくくなる。

請求項２の発明によれば、導通穴を容易に形成することができるとともに、第１電極と第３電極との間の導通抵抗を低下させることができる。

請求項３ないし請求項４の発明によれば、第１電極及び第２電極の配線抵抗の上昇を回避することができる。

請求項５又は請求項６の発明によれば、導通穴の内側面に導電体薄膜を成膜することが容易になるので、第１電極と第３電極とを確実に接続することができる。

以下では、２個の圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ；Film Bulk Acoustic Resonator）を組み合わせたラダー型のフィルタ（以下、「圧電薄膜フィルタ」）を例として、本発明の圧電薄膜デバイスの望ましい実施形態について説明する。しかし、以下で説明する実施形態は、本発明の圧電薄膜デバイスが圧電薄膜フィルタのみに限定されることを意味するものではない。すなわち、本発明における圧電薄膜デバイスとは、一般的に言えば、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイス全般を意味しており、単一の圧電薄膜共振子を含む発振子及びトラップ等並びに複数の圧電薄膜共振子を含むフィルタ、デュプレクサ、トリプレクサ及びトラップ等を含んでいる。ここで、圧電薄膜共振子とは、支持体なくしては自重に耐え得ないような薄膜に圧電的に励振されるバルク弾性波による電気的な応答を利用した共振子である。

＜圧電薄膜フィルタ＞
図１〜図５は、本発明の望ましい実施形態に係る圧電薄膜フィルタ１の構成を示す模式図である。図１は、圧電薄膜フィルタ１の斜視図、図２は、図１のII−IIの切断面における圧電薄膜フィルタ１の断面図、図３は、図１のIII-IIIの切断面における圧電薄膜フィルタ１の断面図、図４は、上面電極１６及び下面電極１４を上方から見た場合のパターンを示す図、図５は、圧電薄膜フィルタ１に含まれる２個の圧電薄膜共振子Ｒ１及びＲ２の電気的な接続状態を示す回路図となっている。図１〜図４には、便宜上、左右方向を±Ｘ軸方向、前後方向を±Ｙ軸方向、上下方向を±Ｚ軸方向とするＸＹＺ直交座標系が定義されている。

図１〜図３に示すように、圧電薄膜フィルタ１は、支持基板１１の上に、接着層１２、キャビティ形成膜１３、下面電極１４、圧電体薄膜１５及び上面電極１６をこの順序で積層した構造を有している。

圧電薄膜フィルタ１の製造にあたっては、単独で自重に耐え得る圧電体基板を除去加工することにより圧電体薄膜１５を得ているが、除去加工によって得られる圧電体薄膜１５は単独で自重に耐え得ない。このため、圧電薄膜フィルタ１の製造にあたっては、除去加工に先立って、圧電体基板を含む所定の部材を、支持体となる支持基板１１にあらかじめ接着している。

○支持基板；
支持基板１１は、圧電薄膜フィルタ１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下面電極１４が下面に形成された圧電体基板を接着層１２を介して支持する支持体としての役割を有している。加えて、支持基板１１は、圧電薄膜フィルタ１の製造後に、下面電極１４が下面に形成され、上面電極１６が上面に形成された圧電体薄膜１５を接着層１２を介して支持する支持体としての役割も有している。したがって、支持基板１１には、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜フィルタ１の製造後にも強度が低下しないこととが要請される。

支持基板１１の材料及び厚さは、このような要請を満足するように、適宜選択することができる。ただし、支持基板１１の材料を、圧電体薄膜１５を構成する圧電材料と近い熱膨張率、より望ましくは、圧電体薄膜１５を構成する圧電材料と同じ熱膨張率を有する材料、例えば、圧電体薄膜１５を構成する圧電材料と同じ材料とすれば、圧電薄膜フィルタ１の製造途上において、熱膨張率の差に起因する反りや破損を抑制することができる。また、圧電薄膜フィルタ１の製造後において、熱膨張率の差に起因する特性変動や破損を抑制することができる。なお、熱膨張率に異方性がある材料を用いる場合、各方向の熱膨張率がともに同じとなるように配慮することが望ましい。また圧電材料と同じ材料を同じ方位で用いる場合もある。

○接着層；
接着層１２は、圧電薄膜フィルタ１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下面電極１４が下面に形成された圧電体基板を支持基板１１に接着固定する役割を有している。加えて、接着層１２は、圧電薄膜フィルタ１の製造後に、下面電極１４が下面に形成され、上面電極１６が上面に形成された圧電体薄膜１５を支持基板１１に接着固定する役割も有している。したがって、接着層１２には、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜フィルタ１の製造後にも接着力が低下しないこととが要請される。

このような要請を満足する接着層１２の望ましい例としては、有機接着剤、望ましくは、充填効果を有し、接着対象が完全に平坦ではなくても十分な接着力を発揮するエポキシ接着剤（熱硬化性を利用するエポキシ樹脂の接着剤）やアクリル接着剤（光硬化性及び熱硬化性を併用するアクリル樹脂の接着剤）により形成された接着層を挙げることができる。このような樹脂を採用することにより、圧電体基板と支持基板１１との間に期待しない空隙が生じることを防止し、当該空隙により圧電体基板の除去加工時にクラック等が発生することを防止可能である。ただし、このことは、これ以外の接着層１２によって圧電体薄膜１５と支持基板１１とが接着固定されることを妨げるものではない。

○キャビティ形成膜；
キャビティ形成膜１３は、絶縁材料を成膜することにより得られた絶縁体膜である。キャビティ形成膜１３は、圧電体薄膜１５の非励振領域Ｅ２の下面に形成され、圧電体薄膜１５の励振領域Ｅ１を支持基板１１から離隔させるキャビティＣＡを形成している。このようなスペーサとしての役割を有するキャビティ形成膜１３により、圧電薄膜共振子Ｒ１及びＲ２の振動が支持基板１１と干渉しなくなるので、圧電薄膜フィルタ１の特性を向上可能である。

キャビティ形成膜１３を構成する絶縁材料は、特に制限されないが、二酸化ケイ素（SiO₂）等の絶縁材料から選択することが望ましい。

○圧電体薄膜；
圧電体薄膜１５は、圧電体基板を除去加工することにより得られる。より具体的には、圧電体薄膜１５は、単独で自重に耐え得る厚み（例えば、５０μｍ以上）を有する圧電体基板を、単独で自重に耐え得ない膜厚（例えば、１０μｍ以下）まで除去加工で薄肉化することにより得られる。

圧電体薄膜１５を構成する圧電材料としては、所望の圧電特性を有する圧電材料を選択することができるが、水晶（SiO₂）、ニオブ酸リチウム(LiNbO₃）、タンタル酸リチウム（LiTaO₃）、四ホウ酸リチウム（Li₂B₄O₇）、酸化亜鉛（ZnO）、ニオブ酸カリウム（KNbO₃）及びランガサイト（La₃Ga₃SiO₁₄）等の粒界を含まない単結晶材料を選択することが望ましい。圧電体薄膜１５を構成する圧電材料として単結晶材料を用いることにより、圧電体薄膜１５の電気機械結合係数及び機械的品質係数を向上させ、広帯域かつ低挿入損失の圧電薄膜フィルタ１を実現することができるからである。

また、圧電体薄膜１５における結晶方位も、所望の圧電特性を有する結晶方位を選択することができる。ここで、圧電体薄膜１５における結晶方位は、圧電薄膜共振子の共振周波数や反共振周波数の温度特性が良好となる結晶方位とすることが望ましく、周波数温度係数が「０」となる結晶方位とすることがさらに望ましい。これにより、通過帯域の温度特性が良好な圧電薄膜フィルタ１を実現することができるからである。

圧電体基板の除去加工は、切削、研削及び研磨等の機械加工並びにエッチング等の化学加工等により行う。ここで、複数の除去加工方法を組み合わせ、加工速度が速い除去加工方法から、加工対象に生じる加工変質が小さい除去加工方法へと除去加工方法を段階的に切り替えながら圧電体基板を除去加工すれば、高い生産性を維持しつつ、圧電体薄膜１５の品質を向上し、圧電薄膜フィルタ１の特性を向上することができる。例えば、圧電体基板を固定砥粒に接触させて削る研削及び圧電体基板を遊離砥粒に接触させて削る研磨を順次行った後に、当該研磨によって圧電体基板に生じた加工変質層を仕上げ研磨により除去するようにすれば、圧電体基板を削る速度が早くなり、圧電薄膜フィルタ１の生産性を向上可能であるとともに、圧電体薄膜１５の品質を向上することにより、圧電薄膜フィルタ１の特性を向上可能である。なお、圧電体基板の除去加工のより具体的な方法については、後述する実施例において説明する。

このような圧電薄膜フィルタ１では、圧電体薄膜１５をスパッタリング等により成膜した場合と異なり、圧電体薄膜１５を構成する圧電材料や圧電体薄膜１５における結晶方位が下地の制約を受けないので、圧電体薄膜１５を構成する圧電材料や圧電体薄膜１５における結晶方位の選択の自由度が高くなっている。したがって、圧電薄膜フィルタ１では、所望の特性を実現することが容易になっている。

この圧電体薄膜１５には、圧電体薄膜１５の上面と下面との間を貫通し、非励振領域Ｅ２において圧電体薄膜１５を挟んで対向する上面電極１６３と下面電極１４とを導通させる１０個の下面電極導通穴ＨＬが形成されている。下面電極導通穴ＨＬは、内側面ＩＷに成膜された導電体薄膜により上面電極１６３と下面電極１４とを短絡して直流的に導通させるスルーホールとなっている。下面電極導通穴ＨＬは、±Ｘ方向及び±Ｙ方向に規則的に形成され、縦２個×横５個の碁盤の目状に配列されている。ここで、下面電極導通穴ＨＬの数は、１０個に制限されず、９個以下又は１１個以上であってもよいし、下面電極導通穴ＨＬの配列を碁盤の目状とすることも必須ではない。

○上面電極及び下面電極；
上面電極１６及び下面電極１４は、それぞれ、圧電体薄膜１５の上面及び下面に導電材料を成膜することにより得られた導電体薄膜である。

上面電極及１６及び下面電極１４の膜厚は、圧電体薄膜１５への密着性、電気抵抗及び耐電力等を考慮して決定される。なお、圧電体薄膜１５の音速や膜厚のばらつきに起因する圧電薄膜共振子Ｒ１及びＲ２の共振周波数や反共振周波数のばらつきを抑制するため、上面電極１６及び下面電極１４の膜厚を適宜調整するようにしてもよい。

上面電極１６及び下面電極１４を構成する導電材料は、特に制限されないが、アルミニウム（Al）、銀（Ag）、銅（Cu）、白金（Pt）、金（Au）、クロム（Cr）、ニッケル（Ni）、モリブデン（Mo）、タングステン(W)及びタンタル（Ta）等の金属から選択することが望ましい。もちろん、上面電極１６及び下面電極１４を構成する導電材料として合金を用いてもよい。また、複数種類の導電材料を重ねて成膜することにより、上面電極１６及び下面電極１４を形成してもよい。

下面電極１４は、圧電体薄膜１５の下面の略中央に形成される。

上面電極１６１及び１６２は、それぞれ、励振領域Ｅ１において圧電体薄膜１５を挟んで下面電極１４と対向して圧電薄膜共振子（直列共振子）Ｒ１及び圧電薄膜共振子（並列共振子）Ｒ２を形成する。上面電極１６１は、励振領域Ｅ１から＋Ｘ方向へ引き出され、その先端は、圧電薄膜フィルタ１の外部と電気的に接続される外部配線の接続用のパットＰ１となっている。上面電極１６２は、励振領域Ｅ１から−Ｘ方向へ引き出された後に伸延方向が±Ｙ方向に分割され、その先端はパットＰ２及びＰ４となっている。

上面電極１６３は、非励振領域Ｅ２において圧電体薄膜１５を挟んで下面電極１４と対向するとともに、＋Ｘ方向に引き出され、その先端はパットＰ３となっている。上面電極１６３は、下面電極導通穴ＨＬによって下面電極１４と短絡されているので、パットＰ３は下面電極１４の引き出し先となっている。このような下面電極１４の引き出しにより、圧電薄膜フィルタ１では、露出していない下面電極１４を直接引き出すことができ、圧電薄膜共振子Ｒ１及びＲ２の周波数インピーダンス特性がインパルス応答等に起因するスプリアスの影響を受けにくくなっている。

○下面電極導通穴について；
下面電極導通穴ＨＬは、その内側面に成膜された導電体薄膜により上面電極１６３と下面電極１４とを短絡するものであるから、上面電極１６３と下面電極１４との間の導通抵抗は、下面電極導通穴ＨＬの総穴周長（穴周長を全ての下面電極導通穴ＨＬについて総計したもの）が長くなるほど低下する。

一方、上面電極１６３及び下面電極１４の配線抵抗は、下面電極導通穴ＨＬの総穴面積（穴面積を全ての下面電極導通穴ＨＬについて総計したもの）が広くなるほど上昇する。

したがって、圧電薄膜フィルタ１においては、下面電極導通穴ＨＬの径や下面電極導通穴ＨＬの間隔が特定の範囲内となる場合に、圧電薄膜フィルタ１の全体としての損失が最も小さくなるが、極端に大きな下面電極導通穴ＨＬを圧電体薄膜１５に形成することや下面電極導通穴ＨＬの間隔を極端に狭くすることは圧電薄膜フィルタ１の製造上困難であるという制約もある。

本願出願人は、これらの事情を勘案して検討した結果、下面電極導通穴ＨＬの径を圧電体薄膜１５の膜厚の２倍以上２０倍以下とするとともに、下面電極導通穴ＨＬの間隔を下面電極導通穴の径の２倍以上、望ましくは３倍以上とすれば、下面電極導通穴ＨＬを容易に形成することができるとともに、上面電極１６３と下面電極１４との間の導通抵抗を低下させ、上面電極１６３及び下面電極１４の配線抵抗の上昇を回避できることを見出した。

ここで、下面電極導通穴ＨＬの径とは、下面電極導通穴ＨＬの穴形状が円形である場合には直径であり、楕円形である場合には長軸の長さであり、多角形である場合には最も長い対角線の長さである。また、下面電極導通穴ＨＬの間隔が下面電極導通穴ＨＬの径の２倍以上とは、全ての下面電極導通穴ＨＬについて、図６の断面図に示すように、着目している下面電極導通穴ＨＬ１と下面電極導通穴ＨＬ１に最も近い他の下面電極導通穴ＨＬ２との距離ｄが、着目している下面電極導通穴ＨＬ１の径ｒの２倍以上であることを意味している。

また、図３には、下面電極導通穴ＨＬの内側面ＩＷを圧電体薄膜１５の上面及び下面に垂直とした場合が示されているが、下面電極導通穴ＨＬの断面形状を変更することもできる。

例えば、図７の断面図に示すように、圧電体薄膜１５の上面から下面へ向かって径が小さくなるテーパー状の断面形状を有する下面電極導通穴ＨＬを形成し、下面電極導通穴ＨＬの内側面ＩＷを圧電体薄膜１５の上面及び下面に垂直な方向に対して傾斜させてもよい。このような断面形状を有する下面電極導通穴ＨＬによれば、上面電極１６３を形成するときに内側面ＩＷに導電体薄膜を容易に成膜することができ、上面電極１６３と下面電極１４とを確実に接続することができる。

逆に、図８に示すように、圧電体薄膜１５の下面から上面へ向かって径が小さくなるテーパー状の断面形状を有する下面電極導通穴ＨＬを形成し、下面電極導通穴ＨＬの内側面ＩＷを圧電体薄膜１５の上面及び下面に垂直な方向に対して傾斜させてもよい。このような断面形状を有する下面電極導通穴ＨＬによれば、下面電極１４を形成するときに内側面ＩＷに導電体薄膜を容易に成膜することができ、上面電極１６３と下面電極１４とを確実に接続することができる。

なお、図７及び図８に示すように内側面ＩＷの全体を圧電体薄膜１５の上面及び下面に垂直な方向に対して傾斜させることは必須ではなく、内側面ＩＷの一部分を圧電体薄膜１５の上面及び下面に垂直な方向に対して傾斜させただけでも同様の効果を得ることができる。

例えば、図９の断面図に示すように、内側面ＩＷの＋Ｘ方向寄りを圧電体薄膜１５の上面及び下面に垂直な方向に対して傾斜させ、−Ｘ方向寄りを圧電体薄膜１５の上面及び下面に垂直にしてもよい。又は、図１０に示すように、内側面ＩＷの−Ｚ方向寄りを圧電体薄膜１５の上面及び下面に垂直な方向に対して傾斜させ、＋Ｚ方向寄りを圧電体薄膜１５の上面及び下面に垂直にしてもよい。

図７〜図１０に示すようなテーパー状の断面形状を有する下面電極導通穴ＨＬを形成した場合、上面電極側の開口の最大径を下面電極導通穴ＨＬの「径」とみなし、当該「径」が圧電体薄膜１５の膜厚の２倍以上２０倍以下となるようにすればよい。

以下では、本発明の望ましい実施形態に係る実施例について説明する。

［実施例１］
実施例１では、圧電体薄膜１５ａ及び支持基板１１ａを構成する圧電材料としてニオブ酸リチウムの単結晶、上面電極１６ａ及び下面電極１４ａを構成する導電材料としてモリブデン、キャビティ形成膜１３ａを構成する絶縁材料として二酸化ケイ素及び接着層１２ａを構成する材料としてエポキシ接着剤を用いて圧電薄膜フィルタ１ａを作製した。

実施例１の圧電薄膜フィルタ１ａは、図１１の断面模式図に示すように、製造原価の低減のために、ウエハ状に振動積層体を作りこむことによって多数の圧電薄膜フィルタ１ａを一体化した集合体Ｕを作製した後に、集合体Ｕをダイシングソーで切断して個々の圧電薄膜フィルタ１ａへ分離することによって得られている。なお、図１１には、３個の圧電薄膜フィルタ１ａが集合体Ｕに含まれる例が示されているが、集合体Ｕに含まれる圧電薄膜フィルタ１ａの数は、４個以上であってもよく、典型的に言えば、集合体Ｕには、数１００個〜数１０００個の圧電薄膜フィルタ１ａが含まれる。

以下では、便宜上、集合体Ｕに含まれる１個の圧電薄膜フィルタ１ａに着目して説明を進めるが、集合体Ｕに含まれる他の圧電薄膜フィルタ１ａも着目した圧電薄膜フィルタ１ａと同時平行して製造されている。

続いて、図１２〜図１４を参照しながら、実施例１に係る圧電薄膜フィルタ１ａの製造方法を説明する。なお、図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）、図１３（Ｅ）〜図１３（Ｇ）及び図１４（Ｈ）〜図１４（Ｉ）は、図１のIII-IIIの切断面における製造途上の圧電薄膜フィルタ１ａの断面模式図となっている。

圧電薄膜フィルタ１ａの製造にあたっては、最初に、厚み０．５ｍｍ、直径３インチのニオブ酸リチウム単結晶の円形ウエハ（３６度カットＹ板）を圧電体基板１９ａ及び支持基板１１ａとして準備した。

そして、圧電体基板１９ａの下面の全面に厚み１０００オングストロームのモリブデンの膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いて、エッチングによりパターニングを行い、図４に示す下面電極１４ａと同様のパターンを有する下面電極１４ａを得た（図１２（Ａ））。

続いて、圧電体基板１９ａの下面の全面に厚み１μｍの二酸化ケイ素の膜をスパッタリングにより成膜し、圧電体基板１９ａを除去加工して得られる圧電体薄膜１５ａにおいて励振領域となるべき領域に成膜された二酸化ケイ素の膜をフッ酸を用いたウエットエッチングにより除去した。これにより、圧電体薄膜１５ａにおいて非励振領域Ｅ２となるべき領域にキャビティ形成膜１３ａが形成されたことになる（図１２（Ｂ））。

さらに続いて、支持基板１１ａの上面に接着層１２ａとなるエポキシ接着剤を塗布し、支持基板１１ａの上面と、下面電極１４ａ及びキャビティ形成膜１３ａが形成された圧電体基板１９ａの下面とを張り合わせた。そして、支持基板１１ａ及び圧電体基板１９ａに圧力を印加してプレス圧着を行い、接着層１２ａの厚みを０．５μｍとした。しかる後に、張り合わせた支持基板１１ａ及び圧電体基板１９ａとを２００℃の環境下で１時間放置してエポキシ接着剤を硬化させ、支持基板１１ａと圧電体基板１９ａを接着した。これにより、圧電体基板１９ａの、圧電体薄膜１５ａにおいて励振領域Ｅ１となるべき領域の下方に、横５０μｍ×縦１００μｍの長方形形状を有し、深さが約１μｍのキャビティが形成された（図１２（Ｃ））。

支持基板１１ａと圧電体基板１９ａとの接着が完了した後、圧電体基板１９ａを支持基板１１ａに接着した状態を維持したまま、支持基板１１ａの下面を研磨治具に接着固定し、圧電体基板１９ａの上面を固定砥粒の研削機で研削加工し、圧電体基板１９ａの厚みを５０μｍまで薄肉化した。さらに、圧電体基板１９ａの上面をダイヤモンド砥粒で研磨加工し、圧電体基板１９ａの厚みを２μｍまで薄肉化した。最後に、ダイヤモンド砥粒による研磨加工で圧電体基板１９ａに生じた加工変質層を除去するために、遊離砥粒及び不繊布系研磨パッドを使用して圧電体基板１９ａの仕上げ研磨を行い、厚みが１．００μｍの圧電体薄膜１５ａを得た（図１２（Ｄ））。

次に、圧電体薄膜１５ａの上面（研磨面）を有機溶剤で洗浄し、厚み２００オングストロームのクロムの薄膜と厚み２０００オングストロームの金の薄膜とを圧電体薄膜１５ａの上面に順次成膜し、圧電体薄膜１５ａの上面の全面を被覆する積層膜１８を形成した（図１３（Ｅ））。

続いて、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いて積層膜１８ａの上に下面電極導通穴ＨＬを形成するための下面電極導通穴パターンを形成し、積層膜１８ａのパターニングを行うことにより、圧電体薄膜１５ａの、下面電極導通穴ＨＬを形成すべき場所のみを露出させたエッチングマスクＭ１ａを得た（図１３（Ｆ））。なお、実施例１における下面電極導通穴パターンでは、下面電極導通穴ＨＬａの径が圧電体薄膜１５ａの膜厚（１μｍ）の１０倍の１０μｍとなるようにするとともに、下面電極導通穴ＨＬａの間隔が下面電極導通穴ＨＬａの径（１０μｍ）の３倍の３０μｍとなるようにした。

このようなエッチングマスクＭ１ａの形成後、６５℃に加熱したバッファードフッ酸で圧電体薄膜１５ａのエッチングを行い、圧電体薄膜１５ａの上面と下面との間を貫通する下面電極導通穴ＨＬａを形成し、下面電極１４ａを露出させた（図１３（Ｇ））。実施例１では、下面電極導通穴ＨＬａを形成するときに、下面電極導通穴ＨＬａの断面形状が圧電体薄膜１５ａの上面から下面へ向かって径が小さくなるテーパー形状となるように、圧電体薄膜１５ａの結晶方位すなわち圧電体基板１９ａの結晶方位を選択している。ニオブ酸リチウムの単結晶のエッチングレートに異方性があり、Ｚ軸方向のエッチングレートが他の方向のエッチングレートより速いという性質を利用したものである。このような結晶方位による断面形状の制御は、圧電体薄膜１５ａの結晶方位を自由に選択できるからこそ可能となる。

そして、下面電極導通穴ＨＬａによって露出された下面電極１４を保護するレジスト膜を一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングした後に、エッチングマスクＭ１ａをエッチングによって除去した（図１４（Ｈ））。

さらに、圧電体薄膜１５ａの上面を有機溶剤で洗浄し、圧電体薄膜１５ａの上面の全面に厚み１０００オングストロームのモリブデンの膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いて、エッチングによりパターニングを行い、図４に示す上面電極１６と同様のパターンを有する上面電極１６ａを得た（図１４（Ｉ））。このとき、下面電極導通穴ＨＬａの内側面ＩＷａにもモリブデンの膜が形成されるので、上面電極１６３ａと下面電極１４ａとの導通が確保される。この内側面ＩＷａの一部分は、圧電体薄膜１５ａの上面及び下面に垂直な方向に対して傾斜しているので、圧電薄膜フィルタ１ａでは、当該傾斜部分に形成されるモリブデンの膜の膜厚が上面電極１６３ａの膜厚より極端に薄くなることはなく、上面電極１６３ａと下面電極１４ａとは確実に接続される。

このようにして得られた圧電薄膜フィルタ１ａにおいて、含まれる圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性を測定して、厚み縦振動の振動応答を評価したところ、スプリアスの影響がほとんどない単一共振波形を観察でき、共振周波数１．９５ＧＨｚ、反共振周波数２．１０ＧＨｚ及び機械的品質係数９８０が得られた。

［実施例２］
実施例２では、実施例１と同様に、圧電体薄膜１５ｂ及び支持基板１１ｂを構成する圧電材料としてニオブ酸リチウムの単結晶、上面電極１６ｂ及び下面電極１４ｂを構成する導電材料としてモリブデン、キャビティ形成膜１３ｂを構成する絶縁材料として二酸化ケイ素及び接着層１２ｂを構成する材料としてエポキシ接着剤を用いて圧電薄膜フィルタ１を作製した。

実施例２の圧電薄膜フィルタ１ｂは、実施例１と同様に、多数の圧電薄膜フィルタ１ｂを一体化した集合体を作製した後に、集合体をダイシングソーで切断して個々の圧電薄膜フィルタ１ｂへ分離することによって得られている。

以下では、便宜上、集合体に含まれる１個の圧電薄膜フィルタ１ｂに着目して説明を進めるが、集合体に含まれる他の圧電薄膜フィルタ１ｂも着目した圧電薄膜フィルタ１ｂと同時平行して製造されている。

続いて、図１５〜図１７の圧電薄膜フィルタ１ｂの断面模式図を参照しながら、実施例２に係る圧電薄膜フィルタ１ｂの製造方法を説明する。

圧電薄膜フィルタ１ｂの製造にあたっては、最初に、厚み０．５ｍｍ、直径３インチのニオブ酸リチウム単結晶の円形ウエハ（３６度カットＹ板）を圧電体基板１９ｂ及び支持基板１１ｂとして準備した。

続いて、レーザ加工により圧電体基板１９ｂの上面及び下面を貫通する貫通穴ＴＨｂを形成した（図１５（Ａ））。貫通穴ＴＨｂの形成位置は、圧電体基板１９ｂを除去加工して圧電体薄膜１５ｂとしたときに下面電極導通穴ＨＬｂが形成されているべき位置である。なお、この貫通穴ＴＨｂの形成方法は特に制限されず、機械加工やエッチング等の化学加工により形成することもできる。

さらに続いて、貫通穴ＴＨｂを形成した圧電体基板１９ｂの上面及び下面に厚み２００オングストロームのクロムの膜と厚み２０００オングストロームの金の膜とを順次成膜した。そして、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いて、エッチングによりパターニングを行い、エッチングマスクＭ２ｂを得た（図１５（Ｂ））。圧電体基板１９ｂの上面のエッチングマスクＭ２ｂは、貫通穴ＴＨｂのみを露出させ、圧電体基板１９ｂの下面のエッチングマスクＭ２ｂは、貫通穴ＴＨｂを含み、貫通穴よりも直径が１０μｍ大きい円形の領域１９５のみを露出させている。

このようなエッチングマスクＭ２ｂの形成後、６５℃に加熱したバッファードフッ酸で圧電体基板１９ｂのエッチングを行った後に（図１５（Ｃ））、エッチングマスクＭ２ｂをエッチングにより除去した（図１６（Ｄ））。これにより、図１６（Ｄ）に示すような、下面付近において下面へ向かって径が大きくなるテーパー状の断面形状を有する貫通穴ＴＨｂを形成することができる。ここで、貫通穴ＴＨｂのテーパー状の部分のテーパー角度は、圧電体基板１９ｂの結晶方位により制御することができる。ニオブ酸リチウムの単結晶のエッチングレートに異方性があり、Ｚ軸方向のエッチングレートが他の方向のエッチングレートより速いという性質を利用したものである。

続いて、圧電体基板１９ｂの下面の全面に厚み１０００オングストロームのモリブデンの膜をスパッタリングにより成膜し、図４に示すパターンを有する下面電極１４ｂを得た（図１６（Ｅ））。このとき、貫通穴ＴＨｂの内側面にもモリブデンの膜が形成されで、このモリブデンの膜によって、後に形成する上面電極１６３ｂと下面電極１４ｂとの導通が確保される。貫通穴ＴＨｂのテーパ状の部分の内側面は、圧電体基板１５の上面及び下面に垂直な方向に対して傾斜しているので、圧電薄膜フィルタ１ｂでは、テーパ状の部分に形成されるモリブデンの膜の膜厚は下面電極１４ｂの膜厚とほぼ同じになり、上面電極１６３と下面電極１４とは確実に接続される。

さらに続いて、圧電体基板１９ｂの下面の全面に厚み１μｍの二酸化ケイ素の膜をスパッタリングにより成膜し、圧電体基板１９ｂを除去加工して得られる圧電体薄膜１５ｂにおいて励振領域Ｅ１となるべき領域に成膜された二酸化ケイ素の膜をフッ酸を用いたウエットエッチングにより除去した。これにより、圧電体薄膜１５ｂにおいて非励振領域Ｅ２となるべき領域にキャビティ形成膜１３ｂが形成されたことになる（図１６（Ｆ））。

さらに続いて、支持基板１１ｂの上面に接着層１２ｂとなるエポキシ接着剤を塗布し、支持基板１１ｂの上面と、下面電極１４ｂ及びキャビティ形成膜１３ｂが形成された圧電体基板１９ｂとを張り合わせた。そして、支持基板１１ｂ及び圧電体基板１９ｂに圧力を印加してプレス圧着を行い、接着層の厚みを０．５μｍとした。しかる後に、張り合わせた支持基板１１ｂ及び圧電体基板１９ｂとを２００℃の環境下で１時間放置してエポキシ接着剤を硬化させ、支持基板１１ｂと圧電体基板１９ｂを接着した。これにより、圧電体基板１９ｂの、圧電体薄膜１５ｂにおいて励振領域となるべき領域の下方に、横５０μｍ×縦１００μｍの長方形形状を有し、深さが約１μｍのキャビティが形成された（図１７（Ｇ））。

支持基板１１ｂと圧電体基板１９ｂとの接着が完了した後、圧電体基板１９ｂを支持基板１１ｂに接着した状態を維持したまま、支持基板１１ｂの下面を研磨治具に接着固定し、圧電体基板１９ｂの上面を固定砥粒の研削機で研削加工し、圧電体基板１９ｂの厚みを５０μｍまで薄肉化した。さらに、圧電体基板１９ｂの上面をダイヤモンド砥粒で研磨加工し、圧電体基板１９ｂの厚みを２μｍまで薄肉化した。最後に、ダイヤモンド砥粒による研磨加工で圧電体基板１９ｂに生じた加工変質層を除去するために、遊離砥粒及び不繊布系研磨パッドを使用して圧電体基板１９ｂの仕上げ研磨を行い、厚みが１．００μｍで下面電極導通穴ＨＬｂの内周面ＩＷｂに成膜されたモリブデンの膜が上面に露出した圧電体薄膜１５ｂを得た（図１７（Ｈ））。

さらに、圧電体薄膜１５ｂの上面を有機溶剤で洗浄し、圧電体薄膜１５ｂの上面の全面に厚み１０００オングストロームのモリブデンの膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いて、エッチングによりパターニングを行い、図４に示すパターンを有する上面電極１６ｂを得た（図１７（Ｉ））。このとき、下面電極導通穴ＨＬｂの内周面ＩＷｂに成膜されたモリブデンの膜の上面に露出した部分の上に上面電極１６３ｂが重ねて成膜されるため、上面電極１６３ｂと下面電極１４ｂとは確実に接続される。

このようにして得られた圧電薄膜フィルタ１ｂにおいて、含まれる圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性を測定して、厚み縦振動の振動応答を評価したところ、スプリアスの影響がほとんどない単一共振波形を観察でき、共振周波数１．９５ＧＨｚ、反共振周波数２．１０ＧＨｚ及び機械的品質係数９８０が得られた。

＜変形例＞
上述の説明では、圧電体薄膜に励振される厚み縦振動による電気的な応答を利用した圧電薄膜共振子について説明したが、厚み縦振動以外のモード、例えば、厚みすべり振動等も利用可能である。

本発明の望ましい実施形態に係る圧電薄膜フィルタの斜視図である。 図１のII−IIの切断面における圧電薄膜フィルタの断面図である。 図１のIII-IIIの切断面における圧電薄膜フィルタの断面図である。 上面電極及び下面電極を上方から見た場合のパターンを示す図である。 圧電薄膜フィルタに含まれる２個の圧電薄膜共振子の電気的な接続状態を示す回路図である。 下面電極導通穴の近傍を拡大して示す断面図である。 下面電極導通穴の断面形状の別例を示す断面図である。 下面電極導通穴の断面形状の別例を示す断面図である。 下面電極導通穴の断面形状の別例を示す断面図である。 下面電極導通穴の断面形状の別例を示す断面図である。 多数の圧電薄膜フィルタを一体化した集合体を切断して個々の圧電薄膜フィルタへ分離する様子を示す断面図である。 実施例１の圧電薄膜フィルタの製造方法を説明する図である。 実施例１の圧電薄膜フィルタの製造方法を説明する図である。 実施例１の圧電薄膜フィルタの製造方法を説明する図である。 実施例２の圧電薄膜フィルタの製造方法を説明する図である。 実施例２の圧電薄膜フィルタの製造方法を説明する図である。 実施例２の圧電薄膜フィルタの製造方法を説明する図である。 従来の圧電薄膜共振子の主要部の概略構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 圧電薄膜フィルタ
１１ 支持基板
１２ 接着層
１３ キャビティ形成膜
１４ 下面電極
１５ 圧電体薄膜
１６ 上面電極
Ｅ１ 励振領域
Ｅ２ 非励振領域
ＨＬ 下面電極導通穴

Claims (7)

1. 単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスであって、
   圧電体薄膜と、
   励振領域において前記圧電体薄膜を挟んで対向するように前記圧電体薄膜の第１主面及び第２主面にそれぞれ形成された第１電極及び第２電極と、
   非励振領域において前記圧電体薄膜を挟んで前記第１電極と対向するように前記圧電体薄膜の第２主面に形成された第３電極と、
   を備え、
   前記圧電体薄膜には、前記第１主面と前記第２主面との間を貫通し、前記第１電極と前記第３電極とを導通させる導通穴が形成されていることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
2. 請求項１に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
   前記導通穴の径が、前記圧電体薄膜の膜厚の２倍以上２０倍以下であることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
3. 請求項１又は請求項２に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
   前記導通穴の間隔が、前記導通穴の径の２倍以上であることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
4. 請求項３に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
   前記導通穴の間隔が、前記導通穴の径の３倍以上であることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
   前記導通穴の内側面の全体又は一部分が、前記第１主面及び前記第２主面に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
6. 請求項５に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
   前記導通穴の径が、前記第１主面及び前記第２主面の一方から他方へ向かって小さくなることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
   前記圧電体薄膜を支持する支持体と、
   前記圧電体薄膜の前記第１主面を前記支持体に接着する接着層と、
   をさらに備えることを特徴とする圧電薄膜デバイス。

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