JP2016507939A - 窒化アルミニウム及びスカンジウムを有したmems部品、及びmems部品の製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム及びスカンジウムを有したmems部品、及びmems部品の製造方法 Download PDF

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Abstract

AlN(窒化アルミニウム)及びSc(スカンジウム)を有する第1圧電層を、下部電極と上部電極との間に備えたMEMS部品を提供する。これにより、改善された圧電特性を有するMEMS部品が得られる。【選択図】図1

Description

本発明は、例えばBAW部品または圧電スイッチといったMEMS部品、及びそのようなMEMS部品の製造方法に関する。
移動通信装置の小型化に向けての現在の動向は、より小さな電子部品及び電気音響部品を要求するものである。BAW(Bulk Acoustic Wave、バルク音波)部品は、RFフィルタ、例えば移動通信装置のフロントエンドモジュールにおけるデュプレクサに用いることが可能である。一般的にデュプレクサは、TX(送信)フィルタ及びRX(受信)フィルタを備えている。これらTXフィルタ及びRXフィルタは、近接するが異なる通過帯域を有したバンドパスフィルタである。BAWバンドパスフィルタの通過帯域を決定する重要な要素は、フィルタの共振子における2つの電極層の間に配置された圧電材料の厚み、及び共振子の質量負荷である。
従来の圧電材料は、LiTaO3(タンタル酸リチウム)、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)、水晶、或いはAlN(窒化アルミニウム)である。改善されたMEMS部品に用いられる圧電材料によって、従来の材料に比べて大きな電気機械結合係数K2または圧電係数を得ることができれば好都合である。しかしながら、そのような圧電材料は取り扱いが難しく、Sc(スカンジウム)ドープAlN(窒化アルミニウム)といった、従来とは異なる圧電材料を用い、当該圧電材料の物理的特性及び化学的特性の違いによって改善された部品を得るための、新たな方法及び処理工程が必要とされている。
従来の形式のBAWデュプレクサの1つは、TXフィルタ用とRXフィルタ用とで厚みが異なる圧電材料を有している。このため、これら2つのフィルタは、異なる処理工程により、異なる支持基板上に製造される。
もう1つの従来の形式のBAWデュプレクサは、例えば上部電極の上に設けられた付加的な層などの付加的な質量体を有しており、このような質量体を、選択したいくつかの共振子上に積み重ねて設けることにより、当該共振子の共振周波数を低下させている。
これらの形式のBAWデュプレクサの製造方法は、いずれも、比較的複雑で、費用がかかり、誤りが生じやすい。特に、従来のデュプレクサは、異なる支持基板上にTXフィルタとRXフィルタとを有しており、小型化に向けての努力に反するものとなっている。
同じ支持基板上に2つのBAW共振子用積層体を容易に配置して、小型化したBAWフィルタが得られるような改善されたMEMS部品、及び、改善された製造方法で優れた部品の利点を増大させることを可能とするような構成の、改善されたMEMS部品が必要とされている。更に、そのような部品の製造方法が求められている。
従って、本発明の目的は、改善されたMEMS部品、及びそのようなMEMS部品の製造方法を提供することにある。
独立請求項に記載の発明は、上述したような問題点の解決策を提供するものである。また、従属請求項に記載の発明は、好ましい態様を提供するものである。
MEMS部品は、下部電極と、当該下部電極の上方に設けられた上部電極とを備える。このMEMS部品は、下部電極と上部電極との間に設けられた第1圧電層を更に備える。第1圧電層は、AlN(窒化アルミニウム)とSc(スカンジウム)とからなる第1圧電材料を有する。
このようなMEMS部品は、従来の部品に比べ、優れた電気機械特性、例えば電気音響特性を得ることができる。従来の製造方法が、大量生産では十分な製品品質が得られない可能性があるにもかかわらず、圧電層中にAlNとScとを有したMEMS部品は、良好な品質で製造可能であることが判明した。
一態様において、MEMS部品は、BAW共振子であり、圧電材料は、Sc(スカンジウム)ドープAlN(窒化アルミニウム)である。
上記のBAW共振子は、上部電極、下部電極、及び圧電層を備えた積層体を有する。この積層体は、バルク音波による音響共振を積層体内に広めることができるように、或いは積層体の少なくとも一部に定在音響波を形成することができるように、部品内に配置される。このため、この積層体を、音響ミラーの上もしくは上方、またはキャビティの上方に配置することができる。この音響ミラーまたはキャビティは、積層体の内部に音響エネルギを閉じ込めて共振を形成する上で役に立つものである。
圧電材料は、ScドープAlN(ScxAl(1-y)N)とすることが可能であることが判ったが、このときのドーピングレベルは、xが1%〜25%であって、yがxと等しいか、もしくは概ね等しい。特に、ドーピングレベルとして、xを5%〜7%とすることが可能である。
圧電層にSc及びAlNを有するMEMS部品は、これら圧電材料の良好な圧電特性によって優れた効果が得られる。このような圧電材料を加工処理するためのエッチング剤も判明した。このような圧電材料を用い、同じ支持基板上に、異なる共振周波数の複数のBAW共振子を形成することが可能である。これらBAW共振子のうち、1つのBAW共振子よりも低い共振周波数を有するもう1つのBAW共振子は、2つの電極層の間に付加的圧電層を有するようにすることができる。
MEMS部品の一態様において、下部電極と、第1圧電層と、上部電極とが、第1BAW共振子を形成する。このMEMS部品は、第2BAW共振子を更に備えており、第2BAW共振子は、下部電極及び上部電極を備えると共に、これら2つの電極の間に設けられた第2圧電層に第2圧電材料を有する。この第2圧電材料は、AlNまたはそれ以外の圧電材料からなる。
第2圧電材料は、純粋なAlN、または、例えばScドープAlNのようなドープ処理されたAlNとすることができる。第2圧電材料のドーピングレベルは、第1圧電材料のドーピングレベルと等しくすることができる。但し、異なるドーピングレベルとすることも可能である。
上述した態様の変形態様において、第2圧電材料は、GaAs(ガリウムヒ素)、ZnO(酸化亜鉛)、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)、またはKNN((K(1-x)Nax)NbO3、但し、Kはカリウム、Naはナトリウム、Nbはニオブ、Oは酸素である)からなる。
一態様において、第2圧電材料は、リン酸溶液に対し、ScドープAlNとは異なるエッチング速度を有する。
一態様において、第2圧電材料は、ScドープAlNである。
第1圧電層の厚みと第2圧電層の厚みとは、等しくすることが可能である。
一態様において、第1圧電層の厚みは、第2圧電層の厚みと異なる。即ち、第1圧電層の厚みは、第2圧電層の厚みより厚くすることも可能であるし、薄くすることも可能である。
この場合、それぞれの圧電層の厚みが異なる2つの共振子を有したBAW部品が得られる。このようなBAW部品は、圧電層の異なる厚みによって異なる共振周波数が得られるようなRFフィルタとすることができる。異なる共振周波数は、例えば、通過帯域フィルタや阻止帯域フィルタを形成するラダー型フィルタ構成の直列腕共振子及び並列腕共振子において必要となる場合がある。例えば異なる通過帯域のため、または異なる阻止帯域のための、異なる共振周波数は、ダイプレクサまたはデュプレクサにおいて必要となる場合がある。
例えばレバー構造を備えたMEMS部品などといった、BAW部品の構成及びその更なる変形が可能である。例えば、圧電MEMSスイッチを備えた部品とすることも可能である。また、複数のスイッチを有する部品とすることも可能である。2つのスイッチを備えた態様では、両方のスイッチを単一の支持基板に形成することができる。第1カンチレバーが1つの圧電層を有する一方、第2カンチレバーが2つの圧電層を有するようにすることが可能である。従って、互いに異なる閉動電圧を有した2つのスイッチを、同一の支持基板上に形成することが可能である。
上述した層に加え、例えばシード層、接着層、不活性化層、付加的圧電層、或いは音響マイグレーション防止層といった、付加的な層を、電極層と圧電層との間に設けることが可能である。
このように、ScドープAlNを採用することにより、電気機械特性が改善されたMEMS部品を得ることが可能となると共に、発明者らが見出したように、良好な品質を有するMEMS部品を製造することができ、以下に述べるような、従来の部品に対して用いられる製造工程に比べて複雑化することのない製造工程を用いてMEMS部品を製造することができる。
MEMS部品の製造方法は、
支持基板を用意する工程と、
前記支持基板の上または上方に、下部電極を積層する工程と、
前記下部電極の上または上方に、Sc(スカンジウム)ドープAlN(窒化アルミニウム)を有した第1圧電層を積層する工程と、
前記第1圧電層を加工処理する工程と、
前記第1圧電層の上または上方に、上部電極を積層する工程と
を備える。
このとき、下部電極と、第1圧電層と、及び上部電極とにより、第1能動電気機械積層体が形成される。
ScドープAlNからなる圧電層は、純粋なAlNといった従来の圧電材料とは異なる物理的特性及び化学的特性を有するものの、加工処理が可能であることが判った。具体的には、リン酸を主成分とする溶液を、ScドープAlNのエッチング、即ち加工処理に用いることができる。
但し、例えば酢酸、硝酸、或いはフッ化水素酸といった別の種類のエッチング剤を用いることも可能である。
エッチング剤の濃度は、20%〜85%とすることができる。
80%の濃度のリン酸溶液により、良好な結果が得られる。
上記の製造方法の一態様において、圧電層の加工処理は、25℃〜85℃の温度で行うことができる。例えば、この温度は、約70℃とすることができる。エッチング速度は、毎分約100nmとすることが可能であり、温度または濃度に応じ、これより速くしたり遅くしたりすることができる。
従って、ScドープAlNを加工処理する方法は、容易に実施可能であると共に、能動電気機械積層体において、Sc及びAlNを有する圧電層の厚みを変更することが可能となる。MEMS部品が、このような厚みの変更を行っていない圧電層を有したもう1つの積層体を備えていれば、同じMEMS部品内に、互いに異なる構造の2つの積層体を得ることができる。
従って、一態様では、第2圧電層を有した第2積層体が、第1積層体に隣接して配置される。第1圧電層を加工処理する際には、この第2圧電層の加工処理は行われない。
これら2つの積層体を、例えば同一のエッチング剤を用い、例えば異なるエッチング速度で、一緒に加工処理することが可能である。
第2圧電層は、AlNからなるようにすることが可能であり、それ以外の圧電材料からなるようにすることも可能である。具体的には、第2圧電層がScドープAlNからなるようにすることが可能であり、この場合、第1圧電層が加工処理される際に、第2圧電層がレジスト層で覆われる。
一態様において、第1圧電層の加工処理に、リン酸溶液を用いる。
2つの電極LE、UEの間に、圧電層PL1を有した基本的なMEMS部品を示す図である。 2つのBAW共振子用積層体を有したMEMS部品を示す図である。 音響ミラーを備えたBAW部品の各構成要素を示す図である。 製造工程のうちの一工程を示す図である。 製造工程のうちの一工程を示す図である。 製造工程のうちの一工程を示す図である。 製造工程のうちの最終工程を示す図である。 圧電材料の厚みが異なる複数の圧電スイッチを有した部品を示す図である。 付加的な層を有する部品を示す図である。 閉動電圧が異なる複数の圧電スイッチを有した部品を示す図である。
MEMS部品の具体例、その製造方法、及びその作動原理は、概要図に示される。
図1は、下部電極LEと上部電極UEとの間に、第1圧電層PL1を備えたMEMS部品MCを示す図である。第1圧電層PL1は、AlN(窒化アルミニウム)及びSc(スカンジウム)を有した第1圧電材料からなる。Sc及びAlNからなる圧電材料を加工処理する方法が見出されたので、このような構成とすることで、加工処理された第1圧電層PL1を有する高品質のMEMS部品を得ることが可能となる。
図2は、第1BAW共振子BAWR1が、第2BAW共振子BAWR2に隣接して配置されたMEMS部品MCを示す図である。これら両共振子は、1つの支持基板の上または上方に配置することができる。いずれの共振子も、下部電極LEと上部電極UEとを備える。少なくとも第1BAW共振子BAWR1は、第1圧電材料PM1を備えている。第1圧電層PL1、下部電極LE、及び上部電極UEは、第1BAW共振子BAWR1の第1積層体LS1を、また第2圧電層PL2、下部電極LE、及び上部電極UEは、第2BAW共振子BAWR2の第2積層体LS2を、それぞれ形成し、これら共振子のそれぞれでは、2つの電極にRF信号が印加されると、音響波が励起される。第2BAW共振子BAWR2の圧電材料の厚みは、第1BAW共振子BAWR1の圧電材料の厚みよりも厚くなっている。このため、これら2つの共振子は、実行が容易な製造工程により、共通の支持基板CSの上または上方に、互いに隣り合うように製造することが可能であるにもかかわらず、互いに異なる共振周波数を有する。
図3は、上部電極を省略し、BAW部品BAWCの主要構成部材を示す図である。2つの共振子用積層体が、それぞれ対応する音響ミラーAMの上に配置されている。これら音響ミラーAMは、高い音響インピーダンスと低い音響インピーダンスとを交互に有した層構造を備えている。音響ミラーAMは、音響エネルギを閉じ込めて、それぞれの共振子の共振モードを確立可能とするものである。
図4は、いくつかの製造工程の1つにおける一段階を示す図であって、この工程では、共通の支持基板CSの上に、2つの共振子用積層体が互いに隣り合って配置される。下部電極を積層して加工処理した後、少なくとも一方の共振子用積層体に対応する下部電極BEの上に、第1圧電材料PM1が積層されて加工処理される。
図5は、製造工程のうち、選択的に行われる工程を示す図であり、この工程では、第2圧電材料PM2の上に、レジスト層RESが配置される。第1圧電材料PM1と第2圧電材料PM2とが同じ組成を有していれば、エッチング剤は、双方の圧電材料を同じ速度でエッチングすることになる。双方の圧電層の厚みを互いに異ならせる場合には、一方の積層体、即ち第2圧電材料を有する積層体をレジスト層RESで覆うようにしてもよい。2つの圧電材料が異なる組成を有する場合には、異なるエッチング速度が得られるので、異なる厚みとするためにレジスト層を設ける必要はない。
そこで、図6は、第1圧電層PL1をエッチングすることにより、双方の圧電層の厚みを互いに異ならせる工程を示している。
エッチングによる厚みの調整は、原理的には可能であるが、圧電材料を堆積させて積層することにより、厚みを調整するのが好ましい。厚みに違いを持たせるため、一方の積層体に、付加的な層を設けることができる。次に、リン酸を用い、ScとAlNとからなる共振子用積層体を加工処理することができる。
図7は、製造工程のうちの最終工程を示す図であり、この工程では、それぞれの共振子用積層体の上に、上部電極UEが積層されて加工処理され、第1BAW共振子BAWR1及び第2BAW共振子BAWR2がそれぞれ形成される。
図8は、MEMS部品のもう1つの実施形態を示す図であって、一方の側では、第1圧電層PL1と上部電極UEとの間に、また他方の側では、第2圧電層PL2と上部電極UEとの間に、それぞれ付加的圧電層APLが配置されている。第1圧電層PL1と第2圧電層PL2とで層の厚みに違いを持たせることにより、全体的な圧電材料の厚みが異なったものとなる。
図9は、MEMS部品の一実施形態を示す図であって、圧電層と少なくとも一方の電極層との間に、付加的な層ALが配置されている。1以上の付加的な層ALは、シード層、接着層、不活性化層、付加的圧電層、或いは音響マイグレーション防止層とすることが可能である。
図10は、第1圧電材料PM1及び第2圧電材料PM2を備えた積層体が、下部電極LEと上部電極UEとの間に配置されて、カンチレバー状のスイッチSW1を形成しているBAW部品を示す図である。スイッチSW1は、スイッチSW2に隣接して同じ支持基板上に配置されている。これら2つのスイッチを異なる構成とすることにより、異なる閉動電圧とすることが可能となる。
BAW部品、及び当該BAW部品の製造方法のいずれも、上述した実施形態や図中に示す実施形態に限定されるものではない。更なる材料もしくは層を備えた部品や製造方法、更なる共振子を備えた部品、または更なる積層工程、エッチング工程、もしくはこれら工程の組み合わせを備えた製造方法も、本発明に包含されるものである。
AL 付加的な層
AM 音響ミラー
APL 付加的圧電層
BAWC BAW部品
BAWR1 第1BAW共振子
BAWR2 第2BAW共振子
CS 支持基板
LE 下部電極
LS1 第1積層体
LS2 第2積層体
MC MEMS部品
PL1 第1圧電層
PL2 第2圧電層
RES レジスト層
SW1 スイッチ
SW2 スイッチ
UE 上部電極

Claims (10)

  1. 下部電極(LE)と、
    前記下部電極(LE)の上方に設けられた上部電極(UE)と、
    前記下部電極(LE)と前記上部電極(UE)との間に設けられた第1圧電層(PL1)とを備え、
    前記第1圧電層(PL1)は、窒化アルミニウムとスカンジウムとからなる第1圧電材料を有する
    ことを特徴とするMEMS部品。
  2. 前記MEMS部品は、BAW共振子であって、
    前記第1圧電材料は、スカンジウムドープ窒化アルミニウムである
    ことを特徴とする請求項1に記載のMEMS部品。
  3. 前記下部電極(LE)と、前記第1圧電層(PL1)と、前記上部電極(UE)とが第1BAW共振子(BAWR1)を形成し、
    第2BAW共振子(BAWR2)を更に備え、
    前記第2BAW共振子(BAWR2)は、
    下部電極(LE)及び上部電極(UE)を備えると共に、前記第2BAW共振子(BAWR2)の下部電極(LE)と前記第2BAW共振子(BAWR2)の上部電極(UE)との間に設けられた第2圧電層(PL2)に第2圧電材料を有し、
    前記第2圧電材料は、窒化アルミニウムまたはそれ以外の圧電材料からなる
    ことを特徴とする請求項2に記載のMEMS部品。
  4. 前記第2圧電材料は、リン酸溶液に対し、スカンジウムドープ窒化アルミニウムとは異なるエッチング速度を有することを特徴とする請求項3に記載のMEMS部品。
  5. 前記第2圧電材料は、スカンジウムドープ窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項3に記載のMEMS部品。
  6. 前記第1圧電層(PL1)の厚みは、前記第2圧電層(PL2)の厚みより薄いことを特徴とする請求項3または4に記載のMEMS部品。
  7. MEMS部品(MC)の製造方法であって、
    支持基板(CS)を用意する工程と、
    前記支持基板(CS)の上または上方に、下部電極(LE)を積層する工程と、
    前記下部電極(LE)の上または上方に、スカンジウムドープ窒化アルミニウムを有した第1圧電層(PL1)を積層する工程と、
    前記第1圧電層(PL1)を加工処理する工程と、
    前記第1圧電層(PL1)の上または上方に、上部電極(UE)を積層する工程とを備え、
    前記下部電極(LE)と、前記第1圧電層(PL1)と、前記上部電極(UE)とにより、第1積層体(LS1)を形成する
    ことを特徴とする製造方法。
  8. 第2圧電層(PL2)を有した第2積層体(LS2)が、前記第1積層体(LS1)に隣接して配置され、
    前記第1圧電層(PL1)を加工処理する際には、前記第2圧電層(PL2)の加工処理を行わないことを特徴とする請求項7に記載の製造方法。
  9. 前記第2圧電層(PL2)は、窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項8に記載の製造方法。
  10. 前記第1圧電層(PL1)の加工処理に、リン酸溶液を用いることを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の製造方法。
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