JP2008219529A - 圧電薄膜振動子の製造方法及び圧電薄膜振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】製造プロセスが簡素で、且つ振動特性の良好な圧電薄膜振動子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】圧電薄膜振動子１は、基板１１の表面に下地層１２を形成してから、この下地層の一部を変質させて、変質部分及び非変質部分の一方を支持層、他方と犠牲層とし、その後、犠牲層の一部を露出面１６として露出させながら、下部電極１３、圧電薄膜１４及び上部電極１５の積層体を、支持層１２及び犠牲層の上面に形成し、最後に露出面１６ａを介して薬液により犠牲層を除去して、基板１１の上面と下部電極１３との間に空隙部１６を形成することにより製造される。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に形成された圧電薄膜振動子の製造方法及び圧電薄膜振動子に関する。

携帯電話等の移動体通信端末に組み込まれる各種フィルタ回路には、例えばＬＣフィルタやＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）フィルタ等が用いられるが、移動通信端末の更なる小型化に伴ってこれらのフィルタと比較して小型化や加工の容易な圧電薄膜振動子（圧電薄膜共振子）と呼ばれる素子が注目されている。

特許文献１には、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）と呼ばれるタイプの代表的な圧電薄膜振動子が記載されている。ＦＢＡＲ１００は、図８（ａ）に示すように、例えばシリコン製基板１０１上に下部電極１０２と上部電極１０４とに挟まれた圧電薄膜１０３を形成した構造となっている。そして電極１０２、１０４より供給された電気エネルギーを圧電薄膜１０３にて機械エネルギーに変換することにより、圧電薄膜１０３の厚み方向の縦振動が得られる。

このように厚み方向の縦振動を利用するタイプの振動子は、圧電薄膜１０３が基板１０１上に拘束されていると自由な振動を得ることができない。このためＦＢＡＲ１００は、基板１０１と下部電極１０２との間に空隙部１０５を設けることにより圧電薄膜１０３の自由な振動を確保する構造となっている。

特許文献１には、このような空隙部１０５を形成する手法として次のような技術が記載されている。（１）平坦な基板１０１の表面にエッチング等により凹部を形成し、（２）この凹部内を含む基板１０１表面にＰＳＧ（リン酸シリケートガラス）等の犠牲層を堆積させる。（３）次いで凹部以外の基板１０１表面に堆積した犠牲層をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等により研磨して除去し、（４）犠牲層の埋め込まれた凹部を含む基板１０１の表面に、フォトリソグラフィにより順次下部電極１０２、圧電薄膜１０３、上部電極１０４を形成していく。このとき、例えば図８（ａ）に向かってＹ方向、即ち図の手前側や奥側に犠牲層の表面を下部電極１０２等で覆わずに一部露出させておく。（５）そして最後に、ウエットエッチング等のエッチングにより、既述の露出した表面から犠牲層を除去して空隙部１０５を形成している。

このように特許文献１に記載された技術では、基板１０１に予め形成した凹部を利用して空隙部１０５を形成しているため、凹部の形成、埋め込み、研磨等の工程を必要とし、製造プロセスが複雑であるという問題があった。

このような問題に対して特許文献２には、空隙部１０５の形成手法の異なるＡＧＲ（Air-Gap type Resonator）と呼ばれるタイプの圧電薄膜振動子が開示されている。ＡＧＲ１１０は、基板に凹部を形成する替わりに、平坦な基板１０１の表面にフォトリソグラフィとエッチングにより犠牲層を形成し、この犠牲層の上に圧電薄膜１０３や電極１０２、１０４を積層してからエッチングにより犠牲層を除去することで、図８（ｂ）に示す構造の空隙部１０５を形成している。

特許文献２に記載のＡＧＲ１１０ではフォトリソグラフィとエッチングの組み合わせだけで空隙部１０５を形成することができるので、研磨工程等を必要とするＦＢＡＲ１００と比較して製造プロセスが簡素である。ところが、このような工程で製造されたＡＧＲ１１０は図８（ｂ）に示すように空隙部１０５の左右両端部において段差１０３ａが形成されるため、この段差１０３ａ部分の構造が屈曲してしまい断線の原因となったり、不要な振動を発生して圧電薄膜１０３の振動特性に悪影響を及ぼしたりしてしまうといった問題がある。
特開２００２−１４００７５号公報：第００２６段落〜第００３７段落、図９ 特開２００５−１０９７０２号公報：第００３１段落〜第００３４段落、図１

本発明はこのような事情に基づいて行われたものであり、その目的は、製造プロセスが簡素で、且つ振動特性の良好な圧電薄膜振動子及びその製造方法を提供することにある。

本発明に係わる圧電薄膜振動子の製造方法は、基板の表面に下地層を形成する工程と、
前記下地層の一部を変質させて、変質部分及び非変質部分の一方を支持層、他方を犠牲層とする工程と、
前記犠牲層の上面の一部を露出面として露出させながら、下部電極、圧電薄膜及び上部電極の積層体を、前記支持層及び犠牲層の上面に形成する工程と、
前記積層体を形成した後に、前記露出面を介して薬液により前記犠牲層を除去し、前記基板の上面と前記下部電極との間に空隙部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

ここで前記下地層を金属層により構成し、下地層の一部を変質させる工程にて当該金属層の一部を酸化させ、得られた金属酸化物層を前記支持層とし、酸化されなかった金属層を前記犠牲層とすることが好ましく、この金属層の酸化には例えば陽極酸化処理が適している。また、犠牲層はＡｌ、前記支持層はＡｌ_２Ｏ_３にて構成するとよい。また、前記支持層はＡｌ_２Ｏ_３からなる絶縁層として構成することが好適である。

この他、前記下地層を半導体層により構成し、下地層の一部を変質させる工程にて当該半導体層の一部を酸化させ、得られた酸化物層を前記犠牲層とし、酸化されなかった半導体層を前記支持層としてもよいし、これとは反対に半導体層の一部を酸化させて得られた酸化物層を前記支持層とし、酸化されなかった半導体層を前記支持層としてもよい。このとき、前記半導体層をＳｉ、前記酸化物層をＳｉＯ_２とすることが好適である。

また上部電極及び下部電極には、夫々Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔよりなる金属群より選択された金属を採用するとよい。一方圧電薄膜は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ_３よりなる圧電体群から選択された圧電体を用いることが好ましい。

本発明によれば、基板と圧電薄膜との間に圧電薄膜を支持する支持層を設け、この支持層の一部を除去することによって空隙部を形成しているので、基板に凹部を形成したり、犠牲層を埋め込んだ基板の表面を研磨したりする必要がなく、圧電薄膜振動子の製造プロセスを簡素化できる。また支持層の一部を除去することにより空隙部を形成しているので、基板表面に犠牲層を堆積させて空隙部を形成する場合と比較して、圧電薄膜に形成される段差を小さくすることができる。これらの結果、振動特性や強度等の品質の高い圧電薄膜振動子を低コスト且つ効率よく生産することが可能となる。

図１（ａ）は、本実施の形態に係る圧電薄膜振動子１を模式的に示した斜視図であり、図１（ｂ）はこの断面図である。図１（ａ）においては、圧電薄膜振動子１の構造を分かりやすくするため圧電薄膜振動子１の積層体の一部を剥がした状態で示してある。また図１（ｂ）の断面図は、図１（ａ）の斜視図中に一点鎖線で示した位置にて圧電薄膜振動子１を切断した状態を示している。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように圧電薄膜振動子１は、例えば厚さ０．３８ｍｍのシリコン製の基板１１上に、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなり、絶縁層をなす支持層１２を形成し、この支持層１２上面のほぼ中央部に、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電体よりなり、例えば縦１５０μｍ×横１００μｍ×厚さ２μｍの矩形状の圧電薄膜１４を積層した構造となっている。更に圧電薄膜１４は、その上面側と下面側とを例えばモリブデン（Ｍｏ）からなる上部電極１５、下部電極１３によって挟まれた構造となっており、図１（ａ）に示すように下部電極１３は向かって左側から、上部電極１５は右側から夫々延伸されて例えば金／クロム（Ａｕ／Ｃｒ）からなる矩形状の電極パッド１７と接続されている。

更に圧電薄膜振動子１の中央部には、図１（ｂ）に示すように支持層１２の一部を除去することにより形成された矩形状の空隙部１６が設けられており、各電極１３、１５に挟まれた圧電薄膜１４の中央部は、この空隙部１６を介して基板１１表面より浮いた状態となっている。このように空隙部１６は支持層１２の一部を除去することにより形成されているため、空隙部１６の厚みは支持層１２の厚みと同等、若しくは、後述するように支持層１２の除去方法によってはその厚みよりも薄くなっている。また図１（ａ）に示すように、空隙部１６は圧電薄膜１４等によって覆われていない露出面１６ａを有しており、例えば薬液を利用したウエットエッチングにより、支持層１２の一部（後述する犠牲層）を除去することができるようになっている。以下、本実施の形態に係る圧電薄膜振動子１の製造方法について説明する。

図２〜図４は圧電薄膜振動子１の製造工程の説明図であり、図６、図７はこれらの工程を斜視図により示したフロー図である。

初めに図２（ａ）及び図６（ａ）に示すように、Ｓｉ製の基板１１表面にスパッタリング等によりＡｌの下地層（金属層）１２ａを堆積させる。次いで空隙部１６を形成したい部分の下地層１２ａの表面をフォトリソグラフィによりレジスト膜で覆い、レジスト膜で覆われていない下地層１２ａを陽極酸化処理してＡｌ_２Ｏ_３に変質させる（図２（ｂ））。

陽極酸化処理は、例えば図５に示した陽極酸化装置３を用いて行われる。陽極酸化装置３の処理容器３１内には例えばエチレングリコールとホウ酸アンモニウムとの混合溶液からなる電解液３１ａが満たされている。この電解液３１ａ中に下地層１２ａ上にレジスト２０の形成された基板１１と、例えば白金からなる陰極板３３とを浸漬させ、直流電源３２のプラス側に基板１１をマイナス側に陰極板３３を接続して電圧を印加する。この結果、電解液３１ａの電気分解で生成した酸素により基板１１が酸化されてレジスト２０で覆われていない下地層１２ａの表面をＡｌ_２Ｏ_３に変質させることができる。

陽極酸化処理の終了後、レジスト膜を剥がすと図６（ｂ）に示すように基板１１表面に変質部分のＡｌ_２Ｏ_３層１２と、非変質部分のＡｌ層１２ｂとの異なる層が形成される。Ａｌ層１２ｂは、後の工程にて除去されるので犠牲層１２ｂと呼び、Ａｌ_２Ｏ_３層１２は除去されずに圧電薄膜１４を支持するので支持層１２と呼ぶことにする。

このようにして支持層１２と犠牲層１２ｂとが形成された基板１１の表面に、図２（ｃ）及び図６（ｃ）に示すようにスパッタリング等によりＭｏ層１３ａを堆積させ、図２（ｄ）に示すようにフォトリソグラフィによりレジスト膜を形成した後、ＣＦ_４等によるドライエッチングを行って、図６（ｄ）に示すように犠牲層１２ｂの一部を覆う下部電極１３をパターニングする。

次に図３（ａ）、図６（ｅ）に示すように、下部電極１３のパターニングされた基板１１の表面に圧電体であるＡｌＮの層（ＡｌＮ層１４ａ）をスパッタリング等により堆積させ、フォトリソグラフィ及び例えば７０℃の熱リン酸水溶液を用いたウエットエッチングにて圧電薄膜１４のパターンニングを行う（図３（ｂ）、図７（ａ））。

更にＭｏ層１５ａの堆積（図３（ｃ）、図７（ｂ））、フォトリソグラフィとドライエッチングによる上部電極１５のパターニング（図３（ｄ）、図７（ｃ））、Ａｕ／Ｃｒ層１７ａの堆積（図４（ａ））、フォトリソグラフィとエッチング液（Ａｕに対してはＫＩを主成分としたＡｕエッチング液、Ｃｒに対しては（ＮＨ_４）_２Ｃｅ（ＮＯ_３）を主成分としたＣｒエッチング液）とを利用したウエットエッチングによる電極パッド１７のパターニング（図４（ｂ）、図７（ｄ））を行い、圧電薄膜振動子１に必要な積層体（下部電極１３、圧電薄膜１４、上部電極１５）を形成する。

以上の工程を終えたら、例えばＡｌエッチャント（リン酸と硝酸と酢酸との混合液）によるウエットエッチングにより、陽極酸化処理により酸化されなかったＡｌのエッチングを行う。即ち犠牲層１２ｂは、圧電薄膜１４で覆われていない露出面１６ａよりエッチング溶液に溶解して除去され、図４（ｃ）、図７（ｅ）に示すように基板１１の上面と下部電極１３及び圧電薄膜１４の下面との間に空隙部１６が形成される。ここで空隙部１６は、Ａｌ_２Ｏ_３に酸化されなかったＡｌを除去することにより形成されているので、空隙部１６の厚みは支持層１２を還元したとした場合に得られる金属層（Ａｌ層）の厚みにほぼ等しくなっている。

以上に述べた製造工程に基づいて例えば直径３インチの基板１１上に多数の圧電薄膜振動子１パターンを形成し、各圧電薄膜振動子１を切り離した後、２つの電極パッド１７を露出させて圧電薄膜１４や各電極１３、１５を図示しないカバーで覆い圧電薄膜振動子１の製造を終了する。

次に、基板１１上に形成される下地層１２ａを金属層に替えて半導体層とした第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態に係る圧電薄膜振動子１（以下、「第２の圧電薄膜振動子１」という）は、基板１１としてサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を用い、支持層１２としてＳｉを用いた点以外は図１に示したものと同様の構成を備えている。

第２の圧電薄膜振動子１は、図２〜図４を用いて説明した第１の実施の形態に係る圧電薄膜振動子の製造工程とほぼ同様の工程により製造されるが、以下の点が異なっている。即ち、図２（ａ）及び図６（ａ）の基板１１表面に下地層１２ａを堆積させる工程においては、サファイア製の基板１１表面に例えばＳｉＨ_４を用いたプラズマＣＶＤ等によってＳｉの下地層（半導体層）１２ａを堆積させる点が、Ｓｉ基板上にＡｌの下地層１２ａを堆積させる第１の実施の形態と異なる。

また、下地層１２ａの一部に陽極酸化処理を施して、この下地層１２ａを犠牲層１２ｂと支持層１２とに変質させる工程（図２（ｂ））の前に、支持層１２としたい部分の下地層１２ａ表面をフォトリソグラフィによりレジスト膜で覆い、残りの部分（後に犠牲層１２ｂとなる部分）を例えばＣＦ_４等を用いたドライエッチングにより薄く削り取る工程を経る点も第１の実施の形態とは異なっている。これは、続く陽極酸化処理の工程にてＳｉ層を酸化してＳｉＯ_２からなる犠牲層１２ｂを形成すると、その体積が約２．２倍に増加するため、陽極酸化後の犠牲層１２ｂの高さを酸化されていない支持層１２の高さと揃えるためである。

続いて陽極酸化を行う際には、下地層１２ａの一部を削り取る先の工程と同様に、支持層１２としたい部分をレジスト膜で覆い、犠牲層１２ｂとしたい部分のＳｉを陽極酸化によりＳｉＯ_２へと変質させる点も、支持層１２となる部分を陽極酸化した第１の実施の形態と異なる点である（図２（ｂ））。これらの工程の後、下部電極１３、圧電薄膜１４、上部電極１５、電極バッド１７を形成する工程は、第１の実施の形態と同様なので説明を省略する。

そして、最後の工程にて犠牲層１２ｂをウエットエッチングにより除去する際には、ＳｉＯ_２を溶解させるエッチング溶液はＨＦとＮＨ４Ｆとの水溶液（バッファードフッ酸）である点がＡｌエッチャントを用いる第１の実施の形態とは異なっている。なお、第２の実施の形態にて使用可能な基板１１はサファイア基板に限定されるものではなく、例えば石英（ＳｉＯ_２）基板や、Ｓｉ基板の表面にＳｉ_３Ｎ_４やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を堆積させたものでもよい。

以上、第１の実施の形態に係る圧電薄膜振動子１、第２の実施の形態に係る第２の圧電薄膜振動子１（以下、これらをまとめて圧電薄膜振動子１という）及びこれらの製造方法によれば以下のような効果がある。圧電薄膜振動子１は、基板１１と圧電薄膜１４との間に圧電薄膜１４を支持する支持層１２を設け、この支持層１２の一部を除去することにより空隙部１６を形成しているので、背景技術にて説明したＦＢＡＲ１００のように基板１０１に凹部を形成したり、犠牲層を埋め込んだ基板１０１の表面を研磨したりする必要がなく、圧電薄膜振動子１の製造プロセスを簡素化できる。また陽極酸化処理といった簡便な処理により１つの下地層１２ａから支持層１２と犠牲層１２ｂを形成し、この犠牲層１２ｂ（支持層１２の一部）を除去することにより空隙部１６を形成しているので、背景技術にて説明したＡＧＲ１１０と比較して、圧電薄膜１４に形成される段差を小さくすることができる。これらの結果、振動特性や強度等の品質の高い圧電薄膜振動子１を低コスト且つ効率よく生産することが可能となる。

なお下地層１２ａを変質させて支持層１２と犠牲層１２ｂとを形成する手法は、陽極酸化処理を利用する場合に限定されない。例えば下地層１２ａとして光硬化性の樹脂を利用し、犠牲層１２ｂとなる部分にマスクをかけて下地層１２ａを露光し、支持層１２となる部分だけを硬化させてから、硬化しなかった部分を薬液により溶解させるようにしてもよい。

また、第１の実施の形態では陽極酸化処理により変質されなかった部分を犠牲層１２ｂとして除去するように構成されているが、犠牲層１２ｂとなるのはこのような非変質部分だけに限定されない。第２の実施の形態に示したように、下地層１２ａを変質させて得られた変質部分を薬液に溶解する犠牲層１２ｂ、非変質部分を溶解しない支持層１２としてもよい。

更にまた第２の実施の形態において、支持層１２となる部分を陽極酸化処理してＳｉＯ_２に変質させ、犠牲層１２ｂとなる部分は非変質部分（Ｓｉのまま）とし、その後順次上部下部電極１５、１３や圧電薄膜１４等を積層し、最後に犠牲層１２ｂのＳｉを例えばＸｅＦ_２を利用したドライエッチングにより除去するように構成してもよい。

また圧電薄膜１４となる圧電体もＡｌＮに限定されるものではなく、ＺｎＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ_３により構成してもよいし、下部電極１３、上部電極１５もＭｏの他、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔよりなる金属群より選択してもよい。

更に、基板１１を例えばＡｌにより形成し、その表面部をフォトリソグラフィにと陽極酸化処理とを利用して、この基板の一部を変質させてもよい。この場合には、変質された表面部分が支持層１２に相当し、この支持層１２よりも下方側が基板１１に相当する。即ち、本発明には、基板１１と支持層１２とを同じ部材から形成する場合も含まれる。

本実施の形態に係る圧電薄膜振動子の斜視図及び断面図である。 上記圧電薄膜振動子の製造工程の説明図である。 上記製造工程の第２の説明図である。 上記製造工程の第３の説明図である。 下地層の陽極酸化処理に用いる陽極酸化処理装置の模式図である。 本実施の形態に係る圧電薄膜振動子の製造工程のフロー図である。 上記製造工程の第２のフロー図である。 従来型の圧電薄膜振動子の断面図である。

符号の説明

１ 圧電薄膜振動子、第２の圧電薄膜振動子
３ 陽極酸化装置
１１ 基板
１２ 支持層（Ａｌ_２Ｏ_３層、Ｓｉ層）
１２ａ 下地層
１２ｂ 犠牲層（Ａｌ層、ＳｉＯ_２層）
１３ 下部電極
１３ａ Ｍｏ層
１４ 圧電薄膜
１４ａ ＡｌＮ層
１５ 上部電極
１５ａ Ｍｏ層
１６ 空隙部
１６ａ 露出面
１７ 電極パッド
１７ａ Ａｕ／Ｃｒ層
２０ レジスト
３１ 処理容器
３１ａ 電解液
３２ 直流電源
３３ 陰極板
３４ 接続線

Claims (11)

1. 基板の表面に下地層を形成する工程と、
   前記下地層の一部を変質させて、変質部分及び非変質部分の一方を支持層、他方を犠牲層とする工程と、
   前記犠牲層の上面の一部を露出面として露出させながら、下部電極、圧電薄膜及び上部電極の積層体を、前記支持層及び犠牲層の上面に形成する工程と、
   前記積層体を形成した後に、前記露出面を介して薬液により前記犠牲層を除去し、前記基板の上面と前記下部電極との間に空隙部を形成する工程と、を含むことを特徴とする圧電薄膜振動子の製造方法。
2. 前記下地層を金属層により構成し、下地層の一部を変質させる工程にて当該金属層の一部を酸化させ、得られた金属酸化物層を前記支持層とし、酸化されなかった金属層を前記犠牲層とすることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜振動子の製造方法。
3. 前記金属層の酸化は陽極酸化処理により行われることを特徴とする請求項２に記載の圧電薄膜振動子の製造方法。
4. 前記犠牲層はＡｌ、前記支持層はＡｌ_２Ｏ_３であることを特徴とする請求項２または３に記載の圧電薄膜振動子の製造方法。
5. 前記支持層は、Ａｌ_２Ｏ_３からなる絶縁層であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の圧電薄膜振動子の製造方法。
6. 前記下地層を半導体層により構成し、下地層の一部を変質させる工程にて当該半導体層の一部を酸化させ、得られた酸化物層を前記犠牲層とし、酸化されなかった半導体層を前記支持層とすることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜振動子の製造方法。
7. 前記下地層を半導体層により構成し、下地層の一部を変質させる工程にて当該半導体層の一部を酸化させ、得られた酸化物層を前記支持層とし、酸化されなかった半導体層を前記支持層とすることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜振動子の製造方法。
8. 前記半導体層はＳｉ、前記酸化物層はＳｉＯ_２であることを特徴とする請求項６または７に記載の圧電薄膜振動子の製造方法。
9. 前記上部電極及び下部電極は、夫々Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔよりなる金属群より選択された金属により構成されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一つに記載の圧電薄膜振動子の製造方法。
10. 前記圧電薄膜は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ_３よりなる圧電体群から選択された圧電体により構成されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一つに記載の圧電薄膜振動子の製造方法。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の圧電薄膜振動子の製造方法により製造されたことを特徴とする圧電薄膜振動子。

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