JP2008211393A

JP2008211393A - 共振装置およびその製造方法

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Publication number: JP2008211393A
Application number: JP2007044623A
Authority: JP
Inventors: Takeo Shirai; 健雄白井; Yoshiki Hayazaki; 嘉城早崎; Chomei Matsushima; 朝明松嶋; Xiong Si-Bei; 四輩熊; Takaaki Yoshihara; 孝明吉原; Norihiro Yamauchi; 規裕山内
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-09-11

Abstract

【課題】圧電体薄膜の結晶性および圧電特性を良くすることが可能な共振装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】共振装置は、支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された下部電極３１と、下部電極３１における支持基板１側とは反対側に形成された圧電体薄膜３２と、圧電体薄膜３２における下部電極３１側とは反対側に形成された上部電極３３とを備える。支持基板１と圧電体薄膜３２とが同一の圧電材料であるＰＺＴにより形成され、下部電極３１がＰＺＴとの格子整合性の良い材料であるＰｔにより形成されている。共振装置の製造にあたっては、ＰＺＴ基板からなる支持基板１の上記一表面上に下部電極３１を形成した後、ＰＺＴ薄膜からなる圧電体薄膜３２を形成し、その後、圧電体薄膜３２上に上部電極３３を形成してから、支持基板１に開孔部１ａを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、支持基板の一表面側に下部電極と圧電体薄膜と上部電極とからなる共振子を備えた共振装置およびその製造方法に関するものである。

従来から、携帯電話機などの移動体通信機器の分野において、３ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタに適用可能な共振装置として、シリコン基板からなる支持基板の一表面側に下部電極と圧電体薄膜と上部電極とからなる共振子を備え、圧電体薄膜の材料としてＡｌＮを採用したＢＡＷ共振器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、上記特許文献１には、ＢＡＷ共振器としてＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）が記載されているが、ＢＡＷ共振器としては、近年、ＦＢＡＲの他にＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）が注目されている。なお、ＢＡＷ共振器では、共振周波数が圧電体薄膜の膜厚に反比例し、圧電体薄膜の膜厚を薄くするほど共振周波数を高くすることができる。

ところで、上述の共振装置をＵＷＢ（Ultra Wide Band）用フィルタに応用する場合、圧電体薄膜の材料として、帯域幅が中心周波数に対して４〜５％しか広帯域化できないＡｌＮに比べて中心周波数に対して１０％程度の帯域幅を得ることが可能なＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を採用することが考えられる。

ここにおいて、圧電材料としてＰＺＴを採用した共振装置としては、例えば、図８に示すように、シリコン基板からなる支持基板１’の一表面上にシリコン酸化膜４を介して下部電極３１が形成され、下部電極３１上にＰＺＴからなる圧電体薄膜３２が形成され、圧電体薄膜３２上に上部電極３３が形成されてなる共振装置が提案されている（例えば、特許文献２）。また、この種の共振装置としては、図９に示すように、ＭｇＯ基板からなる支持基板１”の一表面上に下部電極３１が形成され、下部電極３１上にＰＺＴからなる圧電体薄膜３２が形成され、圧電体薄膜３２上に上部電極３３が形成されてなる共振装置も提案されている。ここで、図８や図９の共振装置では、下部電極３１と圧電体薄膜３２と上部電極３３とで共振子３を構成している。なお、圧電材料からなる圧電体薄膜の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などが知られている。
特開２００２−１４００７５号公報特開平１０−１２６２０４号公報

上述の図８や図９の共振装置では、下部電極３１の材料として圧電体薄膜３２の圧電材料と格子定数の近い材料を採用しても、下部電極３１と圧電体薄膜３２との格子定数差や結晶構造の違いなどに起因して、圧電体薄膜３２の結晶性を十分に向上させることができず、圧電特性（電気機械結合係数など）の向上が望まれている。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、圧電体薄膜の結晶性および圧電特性を良くすることが可能な共振装置およびその製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極における支持基板側とは反対側に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備えた共振装置であって、支持基板と圧電体薄膜とが同一の圧電材料により形成されてなることを特徴とする。ここにおいて、同一の圧電材料とは、構成元素が同じであればよく、格子整合性が良ければ組成比が異なっていてもよい。

この発明によれば、支持基板と圧電体薄膜とが同一の圧電材料により形成されているので、圧電体薄膜の結晶性および圧電特性を良くすることが可能になる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記圧電体薄膜は、前記支持基板の格子定数を受け継いで結晶成長されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電体薄膜として結晶性が良く圧電特性の良い結晶を成長させることが可能となる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記下部電極は、前記支持基板と前記圧電体薄膜との両方と格子整合性のよい材料により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電体薄膜の結晶成長時に前記圧電体薄膜が前記支持基板の格子定数を受け継ぐことができ、前記圧電体薄膜として結晶性が良く圧電特性の良い結晶を成長させることが可能となる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記圧電材料がＰＺＴであることを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電材料がＡｌＮである場合に比べて、電気機械結合定数を大きくすることができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、支持基板の前記一表面側の下部電極上に圧電体薄膜を結晶成長させて形成する圧電体薄膜形成工程と、圧電体薄膜上に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、支持基板として圧電体薄膜と同一の圧電材料により形成された基板を用いることを特徴とする。

この発明によれば、支持基板として圧電体薄膜と同一の圧電材料により形成された基板を用いるので、支持基板として圧電体薄膜の圧電材料とは異なる材料により形成された基板を用いる場合に比べて、圧電体薄膜形成工程において結晶成長させる圧電体薄膜の結晶性および圧電性を良くすることが可能になる。

請求項１の発明では、支持基板と圧電体薄膜とが同一の圧電材料により形成されているので、圧電体薄膜の結晶性および圧電特性を良くすることが可能になるという効果がある。

請求項５の発明では、圧電体薄膜形成工程において結晶成長させる圧電体薄膜の結晶性および圧電性を良くすることが可能になるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の共振装置は、図１に示すように、支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された共振子３とを備えたＢＡＷ共振器であり、共振子３が、支持基板１の上記一表面側に形成された下部電極３１と、下部電極３１における支持基板１側とは反対側に形成された圧電体薄膜３２と、圧電体薄膜３２における下部電極３１側とは反対側に形成された上部電極３３とで構成されている。

本実施形態の共振装置は、支持基板１に、下部電極３１における圧電体薄膜３２側とは反対側の表面を露出させる開孔部１ａが形成されている。要するに、本実施形態の共振装置は、下部電極３１と下部電極３１直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることにより支持基板１側への弾性波エネルギの伝搬を抑制するようにしたＦＢＡＲを構成している。

なお、本実施形態の共振装置では、共振子３の共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、圧電体薄膜３２の厚みを３００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。例えば、共振周波数を３ＧＨｚ〜５ＧＨｚの範囲で設計する場合には、圧電体薄膜３２の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で適宜設定すればよい。

上述の共振子３は、圧電体薄膜３２の材料としてＰＺＴを採用しており、下部電極３１の材料として、ＰＺＴと格子定数が近くて格子整合性の良いＰｔを採用し、上部電極３３の材料として、Ａｌを採用している。また、本実施形態では、上述のように圧電体薄膜３２の圧電材料として、ＰＺＴを採用しているので、圧電材料がＡｌＮである場合に比べて、電気機械結合定数を大きくすることができる。なお、上部電極３３の材料は、Ａｌに限らず、例えば、Ｍｏ、Ｐｔなどを採用してもよい。

ところで、支持基板１としては、圧電体薄膜３２と同一の圧電材料であるＰＺＴにより形成されたＰＺＴ基板を用いている（なお、バルクＰＺＴは薄膜ＰＺＴよりも結晶性が良く電気機械結合係数が高い）。ここにおいて、同一の圧電材料とは、構成元素が同じであればよく、格子整合性が良ければ組成比が異なっていてもよい。例えば、支持基板１のＰＺＴのＺｒとＴｉとの組成比がＺｒ：Ｔｉ＝３０：７０であり、圧電体薄膜３２のＰＺＴのＺｒとＴｉとの組成比がＺｒ：Ｔｉ＝４７：５３であってもよい。なお、支持基板１の材料および圧電体薄膜３２の材料として採用する同一の圧電材料は、ＰＺＴに限らず、例えば、Ｂｉ_３Ｔｉ_４Ｏ_１２などのＢｉ−Ｔｉ−Ｏ系の圧電材料や、ＢａＢｉ−Ｔｉ−Ｏ系の圧電材料などを採用してもよい。

しかして、本実施形態の共振装置は、支持基板１と圧電体薄膜３２とが同一の圧電材料により形成されているので、圧電体薄膜３２の結晶性および圧電特性を良くすることが可能になる。

ここにおいて、圧電体薄膜３２は、支持基板１の格子定数を受け継いで結晶成長されており、圧電体薄膜３２として結晶性が良く圧電特性の良い結晶を成長させることが可能となる。具体的には、本実施形態では、下部電極３１の材料として、支持基板１と圧電体薄膜３２との両方と格子整合性のよい材料であるＰｔを採用しているので、圧電体薄膜３２の結晶成長時に圧電体薄膜３２が支持基板１の格子定数を受け継ぐことができ、圧電体薄膜３２として結晶性が良く圧電特性の良い結晶を成長させることが可能となる。ここで、支持基板１の格子定数を圧電体薄膜３２に正確に受け継がせるには、下部電極３１の厚みを５０ｎｍ以下、望ましくは３０ｎｍ以下、より望ましくは臨界膜厚以下に設定すればよい。なお、上部電極３３の厚みは１００ｎｍに設定してあるが、この値に限定するものではない。

以下、本実施形態の共振装置の製造方法について図２を参照しながら説明する。

まず、ＰＺＴ基板からなる支持基板１の一表面側（図２（ａ）における上面側）の全面に、下部電極３１を例えばスパッタ法や蒸着法などにより形成する下部電極形成工程を行うことによって、図２（ａ）に示す構造を得る。

次に、支持基板１の上記一表面側の下部電極３１上にＰＺＴ薄膜からなる圧電体薄膜３２を結晶成長させて形成する圧電体薄膜形成工程を行うことによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。ここで、圧電体薄膜３２の形成方法としては、例えば、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法などを採用すればよい。なお、圧電体薄膜３２をゾルゲル法により形成する場合には、例えば、ＰＺＴの成分元素を含む金属アルコキシドを溶媒に溶かした溶液を支持基板１の上記一表面側の全面に例えばスピンコート法により塗布し、続いて、例えば大気中で所定の焼成温度（例えば、３００℃〜３５０℃程度）、所定の焼成時間（例えば、３０秒〜１０分程度）において上記溶媒を蒸発させて除去することにより前駆体膜を形成し、その後、前駆体膜を酸素雰囲気中でアニールして結晶化すればよい。

上述の圧電体薄膜３２を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電体薄膜３２を所望の平面形状にパターニングする圧電体薄膜パターニング工程を行うことによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。

続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して下部電極３１を所望の平面形状にパターニングする下部電極パターニング工程を行うことによって、図２（ｄ）に示す構造を得る。

その後、圧電体薄膜３２上に上部電極３３を形成する上部電極形成工程を行うことによって、図２（ｅ）に示す構造を得る。なお、上部電極形成工程では、支持基板１の上記一表面側の全面に、上部電極４０をスパッタ法や蒸着法などによって形成してから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して平面形状にパターニングすればよい。

上述の上部電極形成工程の後、支持基板１の他表面側に上述の開孔部１ａ形成用にパターニングされたマスク層を形成するマスク層形成工程を行ってから、当該マスク層をマスクとして、支持基板１をドライエッチングあるいはウェットエッチングすることにより開孔部１ａを形成する開孔部形成工程を行い、続いて、上記マスク層を除去するマスク層除去工程を行うことによって、図２（ｆ）に示す構造の共振装置を得る。

上述の共振装置の製造にあたっては、上述の支持基板１としてウェハを用いてウェハレベルで多数の共振装置を形成した後、ダイシング工程で個々の共振装置に分割すればよい。

以上説明した本実施形態の共振装置の製造方法によれば、支持基板１として圧電体薄膜３２と同一の圧電材料（例えば、ＰＺＴ）により形成された基板を用いるので、支持基板１として圧電体薄膜３２の圧電材料とは異なる材料（例えば、Ｓｉ、ＭｇＯなど）により形成された基板を用いる場合に比べて、圧電体薄膜形成工程において結晶成長させる圧電体薄膜３２の結晶性および圧電性を良くすることが可能になる。

なお、図１に示した共振装置では、支持基板１に開孔部１ａを形成してあるが、開孔部１ａは必ずしも形成する必要はない。

（実施形態２）
図２に示す本実施形態の共振装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、実施形態１のように支持基板１に開孔部１ａを設ける代わりに、支持基板１の上記一表面上に、圧電体薄膜３２で発生したバルク弾性波を反射させる音響ミラー（音響多層膜）２が形成され、音響ミラー２上に共振子３が形成されている点が相違する。要するに、実施形態１の共振装置は、ＦＢＡＲを構成していたのに対して、本実施形態の共振装置は、ＳＭＲを構成している。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

音響ミラー２は、相対的に音響インピーダンスの高い材料からなる高音響インピーダンス層２ａと相対的に音響インピーダンスの低い材料からなる低音響インピーダンス層２ｂとが交互に積層されており、共振子３の下部電極３１は、最上層の高音響インピーダンス層２ｂ上に形成されている。なお、高音響インピーダンス層２ａおよび低音響インピーダンス層２ｂの膜厚は、圧電体薄膜３２の共振周波数の弾性波（バルク弾性波）の波長の４分の１の値に設定すればよい。

本実施形態では、高音響インピーダンス層２ａの材料として、Ｗを採用し、低音響インピーダンス層２ｂの材料として、圧電体薄膜３２と同一の圧電材料（例えば、ＰＺＴ）を採用している。

なお、本実施形態の共振装置では、共振子３の共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、圧電体薄膜３２の厚みを３００ｎｍ、Ｗ層からなる高音響インピーダンス層２ａの厚みを３２７ｎｍ、ＰＺＴ層からなる低音響インピーダンス層２ｂの厚みを２９０ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、共振周波数を３ＧＨｚ〜５ＧＨｚの範囲で設計する場合には、圧電体薄膜３２の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で、ＰＺＴ層からなる低音響インピーダンス層２ｂの厚みは２００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、Ｗ層からなる高音響インピーダンス層２ａの厚みは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。

以下、本実施形態の共振装置の製造方法について図４を参照しながら説明するが、実施形態１と同様の工程については説明を適宜省略する。

まず、ＰＺＴ基板からなる支持基板１の一表面側の全面に、Ｗ膜からなる高音響インピーダンス層２ａとＰＺＴ膜からなる低音響インピーダンス層２ｂとを例えばスパッタ法やＣＶＤ法などにより交互に成膜することで音響ミラー２を形成する音響ミラー形成工程を行うことによって、図４（ａ）に示す構造を得る。

その後、支持基板１の上記一表面側の全面に、下部電極３１を例えばスパッタ法や蒸着法などにより形成する下部電極形成工程を行うことによって、図４（ｂ）に示す構造を得る。

次に、支持基板１の上記一表面側の下部電極３１上にＰＺＴ薄膜からなる圧電体薄膜３２を結晶成長させて形成する圧電体薄膜形成工程を行うことによって、図４（ｃ）に示す構造を得る。ここで、圧電体薄膜３２の形成方法としては、例えば、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法などを採用すればよい。

上述の圧電体薄膜３２を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電体薄膜３２を所望の平面形状にパターニングする圧電体薄膜パターニング工程を行うことによって、図４（ｄ）に示す構造を得る。

続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して下部電極３１を所望の平面形状にパターニングする下部電極パターニング工程を行うことによって、図４（ｅ）に示す構造を得る。

その後、圧電体薄膜３２上に上部電極３３を形成する上部電極形成工程を行うことによって、図４（ｆ）に示す構造の共振装置を得る。

ところで、上述の共振装置を、３ＧＨｚ以上の高周波帯においてカットオフ特性が急峻で且つ帯域幅の広い高周波フィルタ、例えば、ＵＷＢ用フィルタとして応用する場合には、図５に示すように、下部電極３１と圧電体薄膜３２と上部電極３３とで構成される共振子３を同一の支持基板１の上記一表面側に複数個形成するようにし（図５には２個しか記載されていないが、例えば、８個形成するようにし）、これらの共振子３を図示しない配線によって図６に示すようなラダー型フィルタを構成するように接続すれば、ＵＷＢ用フィルタの低コスト化および小型化を図れる。なお、実施形態１の共振装置１においても、支持基板１の上記一表面側に複数個の共振子３を形成して配線により適宜接続されるようにし、各共振子３ごとに開孔部１ａを設けてＵＷＢ用フィルタを構成するようにしてもよい。

なお、実施形態１，２で説明した共振装置では、下部電極３１の材料としてＰｔを採用しているが、下部電極３１は単層構造に限らず、例えば、図７（ａ）に示すように、Ｔｉ層とＰｔ層とが積層された多層構造としてもよいし、図７（ｂ）に示すように、Ｔｉ層とＩｒ層とＴｉ層とＰｔ層とが積層された多層構造としてもよい。ここにおいて、図７（ａ），（ｂ）における各Ｔｉ層は密着層として設ける層であり、各Ｔｉ層の厚みはＰｔ層やＩｒ層の厚み比べて薄くすることが望ましく、５ｎｍ程度の厚みに設定することが好ましい。なお、図７（ｂ）の多層構造を有する下部電極３１では、図７（ａ）の多層構造を有する下部電極３１に比べて下部電極３１の電気抵抗を小さくすることができ、共振子３の特性の向上を図ることが可能となる。また、上部電極３３についても、単層構造に限らず多層構造でもよい。

実施形態１における共振装置の概略断面図である。同上における共振装置の製造方法を説明するための主要工程断面図である。実施形態２における共振装置の概略断面図である。同上における共振装置の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の共振装置を応用したＵＷＢ用フィルタの概略断面図である。同上の共振装置を応用したＵＷＢ用フィルタの回路図である。同上の共振装置における下部電極の他の構成例の説明図である。従来例を示す共振装置の概略断面図である。他の従来例を示す共振装置の概略断面図である。

符号の説明

１支持基板
１ａ開孔部
３共振子
３１下部電極
３２圧電体薄膜
３３上部電極

Claims

支持基板と、支持基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極における支持基板側とは反対側に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備えた共振装置であって、支持基板と圧電体薄膜とが同一の圧電材料により形成されてなることを特徴とする共振装置。
前記圧電体薄膜は、前記支持基板の格子定数を受け継いで結晶成長されてなることを特徴とする請求項１記載の共振装置。
前記下部電極は、前記支持基板と前記圧電体薄膜との両方と格子整合性のよい材料により形成されてなることを特徴とする請求項２記載の共振装置。
前記圧電材料がＰＺＴであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の共振装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の共振装置の製造方法であって、支持基板の一表面側に下部電極を形成する下部電極形成工程と、支持基板の前記一表面側の下部電極上に圧電体薄膜を結晶成長させて形成する圧電体薄膜形成工程と、圧電体薄膜上に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備え、支持基板として圧電体薄膜と同一の圧電材料により形成された基板を用いることを特徴とする共振装置の製造方法。