JP2019208260A - 圧電薄膜素子の製造方法 - Google Patents

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Yuji Ohashi
雄二 大橋
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Kei Kamata
圭 鎌田
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Shunsuke Kurosawa
俊介 黒澤
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Abstract

【課題】横方向への振動漏れが抑制された状態で、圧電薄膜素子のＱ値を向上させる。【解決手段】圧電単結晶基板２０１に形成した第１電極２０２ａと、音響反射膜２０４に形成した第２電極２０２ｂとを貼り合わせる（第３工程）。平面視で、第１電極２０２ａの中央部（中心）と第２電極２０２ｂの中央部とが重なる状態に位置合わせして貼り合わせる（接合させる）。【選択図】 図２Ｃ

Description

本発明は、音響反射膜の上に設けられた圧電薄膜を備えた圧電薄膜素子の製造方法に関する。
携帯電話などの通信機器において、所望の信号のみを選択的に送信または受信するための帯域通過型フィルタとして、圧電薄膜共振器を用いた圧電薄膜フィルタが利用されるようになっている。圧電薄膜フィルタとして、例えば、圧電薄膜共振器（Thin Film Bulk Acoustic Resonator：ＦＢＡＲ）フィルタが知られている。これは、Ｓｉなどの基板上に、電極で挟まれた圧電薄膜を形成し、かつその振動エネルギーがＳｉ基板に漏れないよう、電極形成部の基板側に空隙を設けている。また、空隙の代わりに音響反射膜を用いたＳＭＲ（Solidty Mounted Resonator）フィルタも利用されている。これらは、ＢＡＷ（Bulk Acousitic Wave）フィルタと総称されている。
ここで、ＢＡＷフィルタの動作原理について簡単に説明する。圧電薄膜を挟んでいる２つの電極間に高周波信号を印加すると、圧電薄膜に応じた周波数で圧電薄膜が共振を起こし、共振器となる。この圧電薄膜共振器の各電極に配線を接続してラダー型回路などを形成すると、所望のフィルタ特性を得ることができる。
ＢＡＷフィルタは、圧電薄膜共振器を用いるフィルタであるため、圧電薄膜共振器の品質係数Ｑ値を十分高くする必要がある。共振子のＱ値を向上させるためには、共振で生じた振動エネルギーを、圧電薄膜内に完全に閉じ込めることが理想である。しかしながら、実際の圧電薄膜共振器では、厚み方向に直交する横方向への伝搬モードにより振動エネルギーが漏洩し、不要振動（スプリアス）が発生する。
この問題に対し、特許文献１では、一方の電極（頂部電極）は、縁付近を厚くすることで、横方向の伝搬モードによるスプリアスを抑制している。また、特許文献２では、圧電薄膜を励振領域は薄くし、周縁部の非励振領域は厚くすることにより、横方向の伝搬モードに起因するスプリアスを抑制している。また、特許文献２では、圧電薄膜の薄くした励振領域における支持基板に陥没を形成し、励振領域に励振された振動が支持基板と干渉しない構成としている。
また、特許文献２の技術では、自重に耐えうる厚みの単結晶基板を、空隙を設けた支持基板に接着したのち、機械的研磨などにより所望の厚みまで薄板化し所定の周波数を得ている。このように、特許文献２の技術では、堆積などによる成膜によらずに圧電薄膜を形成しているため、結晶性が下地の影響を受けるなどの問題が無く、良好な圧電性能が得られることが期待できる。
特表２００３−５０５９０６号公報 特開２００７−２４３４５１号公報 特開２００９−２９０３７４号公報
ところで、ＢＡＷフィルタは、圧電薄膜共振器を用いるフィルタであるため、圧電薄膜共振器の品質係数Ｑ値を十分高くする必要がある。共振子のＱ値を向上させるためには、圧電薄膜の結晶性が重要である。例えば、一方の電極の上に圧電薄膜を成膜し、成膜した圧電薄膜の上に他方の電極を形成する場合、一方の電極の上に配向性よく圧電薄膜を形成することが重要となる。この場合、一方の電極の圧電薄膜形成面の結晶性が、圧電薄膜の配向性を左右する。また、音響反射膜を用いるＳＭＲフィルタにおいては、支持基板や音響反射膜における結晶性が、最終的に得られる圧電薄膜の配向性（結晶性）を左右し、素子の性能を左右していた。
上記課題に対し、圧電材料のバルクよりＫＮＮ素片を切り出し、音響多層膜上に形成してある下部電極に切り出したＫＮＮ素片を接合し、接合したＫＮＮ素片をパターニングして圧電材料部とし、この上に上部電極を形成することで、Ｑ値に優れたＢＡＷ共振器とする技術がある（特許文献３参照）。この技術では、ＫＮＮ素片の側に形成してある接合金属層と下部電極の上側金属層とを接合することで、ＫＮＮ素片と下部電極との高い接合強度を得ている。また、ＫＮＮ素片をパターニングして下部電極より小さい面積の圧電材料部とすることで、共振で生じた振動エネルギーを、圧電材料部に閉じ込めている。
しかしながら、上述した技術では、圧電材料部を小さい面積としているため、上部電極の形成や上部電極への配線などの形成のために、圧電材料部の周囲を絶縁層で埋め込んでいる。このように、振動部の周囲に絶縁層が形成されているため、横方向への振動漏れが生じ、Ｑが低下するという問題がある。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、横方向への振動漏れが抑制された状態で、圧電薄膜素子のＱ値が向上できるようにすることを目的とする。
圧電薄膜素子の製造方法の参考例は、圧電材料の単結晶から構成された圧電単結晶基板の一方の面に、圧電単結晶基板より小さい面積とされた所定の平面形状の第１電極を形成する第１工程と、第１電極に互いに音響インピーダンスの異なる複数の層が交互に積層された音響多層膜を貼り付ける第２工程と、圧電単結晶基板の他方の面から圧電単結晶基板を研磨して薄層化し、音響多層膜の上に第１電極および圧電単結晶基板を薄層化して得られた圧電薄膜が積層された状態とする第３工程と、圧電薄膜を挾んで第１電極に向かい合い第１電極より小さな面積の第２電極を圧電薄膜の上に形成する第４工程とを備え、第３工程では、圧電薄膜の第１電極が形成されている電極形成領域は、この電極形成領域とこの周囲の第１電極が形成されていない電極未形成領域との間の研磨圧力の差により、電極未形成領域より薄く形成された状態とする。
上記圧電薄膜素子の製造方法において、第１工程では、圧電単結晶基板の一方の面の第１電極の周囲に圧電薄膜の振動に関係しないダミー電極を第１電極と絶縁分離した状態で形成し、第１電極およびダミー電極が形成されている領域を電極形成領域としてもよい。
また、本発明に係る圧電薄膜素子の製造方法は、圧電材料の単結晶から構成された圧電単結晶基板の一方の面に、圧電単結晶基板より小さい面積とされた所定の平面形状の第１電極を形成する第１工程と、音響インピーダンスの異なる複数の層が交互に積層された音響多層膜の一方の面に第１電極とは異なる面積の第２電極を形成する第２工程と、第１電極と第２電極とを貼り合わせる第３工程と、圧電単結晶基板を薄層化して音響多層膜の上に第２電極，第１電極，および圧電単結晶基板を薄層化して得られた圧電薄膜が積層された状態とする第４工程と、圧電薄膜を挾んで第１電極に向かい合い第１電極より大きな面積の第３電極を圧電薄膜の上に形成する第５工程とを備える。
上記圧電薄膜素子の製造方法において、第４工程では、圧電薄膜は、圧電単結晶基板の他方の面から圧電単結晶基板を研磨して薄層化することによって得られ、第１電極が形成されている電極形成領域は、この電極形成領域とこの周囲の第１電極が形成されていない電極未形成領域との間の研磨圧力の差により、電極未形成領域より薄く形成された状態とすることもできる。
以上に説明したことにより、本発明によれば、横方向への振動漏れが抑制された状態で、圧電薄膜素子のＱ値が向上できる。
図１Ａは、参考例における圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図１Ｂは、参考例における圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図１Ｃは、参考例における圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図１Ｄは、参考例における圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図１Ｅは、参考例における圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図１Ｆは、参考例における圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図２Ｃは、本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図２Ｄは、本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図２Ｅは、本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図２Ｆは、本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図３Ａは、本発明における圧電薄膜素子の他の構成例を示す断面図である。 図３Ｂは、本発明における圧電薄膜素子の他の構成例を示す断面図である。 図３Ｃは、本発明における圧電薄膜素子の他の構成例を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
はじめに、参考例について、図１Ａ〜図１Ｆを参照して説明する。図１Ａ〜図１Ｆは、参考例における圧電薄膜素子（圧電共振器）の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
まず、図１Ａに示すように、圧電材料の単結晶から構成された圧電単結晶基板１０１の一方の面１０１ａに、圧電単結晶基板１０１の設計された素子領域より小さい面積とされた所定の平面形状の第１電極１０２を形成する（第１工程）。例えば、圧電単結晶基板１０１には、各々が圧電共振器となる複数の素子領域が設定され、各素子領域の各々に第１電極１０２を形成する。圧電単結晶基板１０１に、１つの素子領域が設定されていても良い。素子領域の平面視中央部と第１電極１０２の平面視中央部とが実質的に重なる状態とする。なお、図１Ａ〜図１Ｆでは、１つの素子領域を示している。
圧電単結晶基板１０１は、例えば昇華法を用いて作製したＡｌＮの単結晶基板であり、主表面がｃ面とされ、板厚が２５０μｍ程度とされている。また、第１電極１０２は、Ｐｔ，Ｍｏ，Ｗなどの金属から構成する。例えば、よく知られたＲＦマグネトロンスパッタ法によりＭｏを堆積して金属膜を形成し、この上に公知のフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとして金属膜をイオンミリングによりエッチングし、この後レジストパターンを除去することで、第１電極１０２が形成できる。上記レジストパターンは、圧電単結晶基板１０１に予め形成してある位置合わせマークを基準として位置合わせを行って形成すれば良い。
次に、図１Ｂに示すように、支持基板１０３の上に、互いに音響インピーダンスの異なる複数の層が交互に積層された音響反射膜１０４を形成する。音響反射膜１０４においては、隣り合う層は音響インピーダンスが異なり、１つおきに同じ音響インピーダンスの層が積層されている。支持基板１０３は、例えば、Ｓｉ（１１１）から構成され、厚さ２５０μｍとされている。Ｓｉ（１１１）から構成した支持基板１０３は、高抵抗であることが望ましく、例えば、比抵抗が１０００Ω／ｃｍ以上であればよい。
音響反射膜１０４は、音響インピーダンスの異なる複数の高音響インピーダンス層１４１，低音響インピーダンス層１４２が、交互に３対積層されて構成されている。高音響インピーダンス層１４１，低音響インピーダンス層１４２の対が、２対から４対積層されていれば良い。ここで、高音響インピーダンス層１４１は、低音響インピーダンス層１４２より音響インピーダンスが高い。例えば、高音響インピーダンス層１４１は、ＡｌＮから構成されて厚さ１．４μｍとされている。また、低音響インピーダンス層１４２は、例えば、ＳｉＯ2から構成されて厚さ０．７μｍとされている。これらは、例えば、ＲＦマグネトロンスパッタ法により形成できる。
より音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層１４１は、ＡｌＮに限らず、ＺｎＯ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｌ2Ｏ3などから構成することができる。また、より音響インピーダンスが低い低音響インピーダンス層１４２は、ＳｉＯ2に限らず、Ｍｇ，Ａｌなどから構成することができる。なお、音響反射膜１０４の総厚は、後述する圧電薄膜１０５が単独の状態における共振周波数の音波（バルク波）が、単独の状態とした音響反射膜１０４を伝搬するときの波長の１／４とする。
次に、図１Ｃに示すように、第１電極１０２に音響反射膜１０４を貼り付ける（第２工程）。例えば、音響反射膜１０４の貼り合わせ面（最上の低音響インピーダンス層１４２の表面）と、第１電極１０２の表面とを、原子拡散接合法や陽極接合法などにより貼り合わせれば良い。
次に、圧電単結晶基板１０１の他方の面１０１ｂから圧電単結晶基板１０１を研磨して薄層化し、図１Ｄに示すように、音響反射膜１０４の上に第１電極１０２および圧電薄膜１０５が積層された状態とする（第３工程）。圧電単結晶基板１０１を薄層化して圧電薄膜１０５とする。この工程では、圧電薄膜１０５の第１電極１０２が形成されている電極形成領域（振動部）は、この周囲の第１電極１０２が形成されていない電極未形成領域（非振動部）より薄く形成する。例えば、第１電極１０２が形成されている電極形成領域の圧電薄膜１０５の厚さは、２．８μｍ程度にすれば良い。なお、圧電薄膜１０５の第１電極１０２が形成されている電極形成領域の厚さは、単独の状態とした圧電薄膜１０５の共振周波数の音波が単独の圧電薄膜１０５を伝搬するときの波長λの半分もしくは１／４とされていれば良い。
圧電単結晶基板１０１を研磨においては、硬質タイプの研磨用パッドを用いると良い。この研磨において、研磨面となる面１０１ｂに対して裏面となる面１０１ａには、部分的に第１電極１０２が形成され、第１電極１０２の周囲の電極未形成領域は、音響反射膜１０４と面１０１ａとの間に空隙が存在している。このため、第１電極１０２が形成されている電極形成領域と、この周囲の電極未形成領域とでは、研磨における面１０１ｂに対する圧力（研磨圧力）が異なる状態となる。
第１電極１０２が形成されている電極形成領域は、この周囲の電極未形成領域に比較して研磨圧力が大きく、研磨の速度が速くなる。一方、第１電極１０２の周囲の電極未形成領域は、研磨圧力が小さく、研磨の速度が遅くなる。この研磨速度の差により、圧電薄膜１０５の電極形成領域には、平面視で第１電極１０２と中心を共通とする平面形状の凹部１０６が形成される。この結果、圧電薄膜１０５の第１電極１０２が形成されている電極形成領域は、この周囲の電極未形成領域より薄く形成されるものとなる。
次に、図１Ｅに示すように、圧電薄膜１０５を挾んで第１電極１０２に向かい合い第１電極１０２より小さな面積の第２電極１０７を、圧電薄膜１０５の上に形成する（第４工程）。平面視で、第１電極１０２の中央部と第２電極１０７の中央部とが重なる状態に、第２電極１０７を配置すれば良い。平面視で、第２電極１０７は、第１電極１０２の形成領域の内側に配置される。
例えば、第２電極１０７は、Ｐｔ，Ｍｏ，Ｗなどの金属から構成する。例えば、よく知られたＲＦマグネトロンスパッタ法によりＭｏを堆積して金属膜を形成し、この上に公知のフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとして金属膜をイオンミリングによりエッチングし、この後レジストパターンを除去することで、第２電極１０７が形成できる。また、よく知られたリフトオフ法により、第２電極１０７を形成しても良い。いずれにおいても、レジストパターン（リフトオフパターン）は、圧電単結晶基板１０１に形成してあり圧電薄膜１０５の状態においても残っている位置合わせマークを基準として位置合わせを行って形成すれば良い。
なお、図示はしないが、第１電極１０２および第２電極１０７との組からなる複数の素子（圧電共振器）を、電気的に所定の接続をしてＳＭＲフィルタを構成し、ＳＭＲフィルタ毎に支持基板１０３より切り出す。また、ＳＭＲフィルタを構成する一部の圧電共振器は、異なる共振周波数にする必要がある。その場合は、対応する圧電共振器の第２電極１０７の上にさらに重し電極を形成し、対応する圧電共振器の周波数を設定する。また、個々の素子領域で切り出して複数の素子としても良い。
上述した圧電薄膜素子は、平面視で第１電極１０２と第２電極１０７とが重なる部分が実効的に電界の印加される領域となり、第１電極１０２と第２電極１０７の間に交流電圧を印加すると、共振周波数となる周波数で共振を生じる。
第２電極１０７の側に伝搬した共振によるバルク波は、第２電極１０７の概ね端面にて反射し、第１電極１０２の側に伝搬したバルク波は、音響反射膜１０４に伝搬する。音響反射膜１０４の厚さは、共振周波数のバルク波が、単独の状態とした音響反射膜１０４を伝搬するときの波長の１／４とされているため、各々の高音響インピーダンス層１４１，低音響インピーダンス層１４２の境界面からの反射波の位相が重なり、実効的に支持基板１０３の影響を受けなくなる。
また、圧電薄膜１０５で励振したバルク波は、圧電薄膜１０５の平面方向（横方向）にも伝搬する。これに対し、上述した圧電薄膜素子によれば、第２電極１０７の下の振動部（電極形成領域）の圧電薄膜１０５の厚さが、平面視で第２電極１０７より外周の非振動部（電極未形成領域）における圧電薄膜１０５の厚さより薄くしているので、振動エネルギーが振動部に閉じ込められるため、不要なスプリアスが発生しない。
また、図１Ｆに示すように、第２電極１０７の上に補助電極１０７ａを形成しても良い。補助電極１０７ａは、第２電極１０７の上面の、周縁部または周縁に近い領域に設ければよい。また、補助電極１０７ａは、第２電極１０７の周縁に沿う平面形状に形成すればよい。第２電極１０７の上に補助電極１０７ａを設けることで、更に、振動エネルギーが振動部へ閉じ込められ、不要なスプリアスの発生が更に抑制できるようになる。また、補助電極１０７ａを可能な範囲で厚くするとより上記効果がより得られるようになる。補助電極１０７ａの形成箇所や厚さは、スプリアスの発生周波数により適宜に設定すればよい。
なお、第２電極１０７下に振動エネルギーが閉じ込められると、第２電極１０７内での多重反射によるスプリアスが発生する。これを抑制するために、第２電極１０７の平面視の形状を、楕円や、対向する辺が平行にならないような多角形の形状にするとよい。
ところで、第１電極１０２の形成時に、圧電単結晶基板１０１の一方の面の第１電極１０２の周囲に圧電薄膜１０５の振動に関係しないダミー電極を第１電極１０２と絶縁分離した状態で適切に配置して形成しておき、第１電極１０２およびダミー電極が形成されている領域を電極形成領域としてもよい。このダミー電極の配置で圧電単結晶基板１０１の研磨時に加わる応力を調整することにより、圧電薄膜１０５における振動部の厚さと非振動部の厚さの比を調整することができる。第１電極１０２の周囲に適宜にダミー電極を設けることで、パターンの粗密による研磨速度のバラつきを削減でき、圧電薄膜１０５における振動部の厚さと非振動部の厚さとを適切に設定することが可能となる。
以上に説明したように、圧電材料の単結晶から構成された圧電単結晶基板の一方の面に、圧電単結晶基板より小さい面積とされた所定の平面形状の第１電極を形成しておき、圧電単結晶基板の研磨における研磨圧力に差を設けることで２つの電極に挾まれた圧電薄膜の厚さを薄くし、横方向の伝搬モードに起因するスプリアスを抑制しているので、不要振動が抑制された状態で、圧電薄膜素子のＱ値が向上できるようになる。
また、堆積などによる成膜によらずに圧電薄膜を形成しているため、圧電薄膜として種々の圧電材料が選択可能である。例えば、上述したＡｌＮに限らず、ＺｎＯ，ＬｉＴａＯ3，ＬｉＮｂＯ3，水晶、ＫＮｂＯ3などを圧電薄膜（圧電単結晶基板）として用いることができる。さらに、任意の結晶方位の圧電単結晶基板を選択して圧電薄膜とすることができるため、フィルタ設計の自由度が高い。
ところで、ＢＡＷフィルタは、圧電薄膜共振器を用いるフィルタであるため、圧電薄膜共振器の品質係数Ｑ値を十分高くする必要がある。共振子のＱ値を向上させるためには、圧電薄膜の結晶性が重要である。例えば、一方の電極の上に圧電薄膜を成膜し、成膜した圧電薄膜の上に他方の電極を形成する場合、一方の電極の上に配向性よく圧電薄膜を形成することが重要となる。この場合、一方の電極の圧電薄膜形成面の結晶性が、圧電薄膜の配向性を左右する。また、音響反射膜を用いるＳＭＲフィルタにおいては、支持基板や音響反射膜における結晶性が、最終的に得られる圧電薄膜の配向性（結晶性）を左右し、素子の性能を左右していた。
上記課題に対し、圧電材料のバルクよりＫＮＮ素片を切り出し、音響多層膜上に形成してある下部電極に切り出したＫＮＮ素片を接合し、接合したＫＮＮ素片をパターニングして圧電材料部とし、この上に上部電極を形成することで、Ｑ値に優れたＢＡＷ共振器とする技術がある（特許文献３参照）。この技術では、ＫＮＮ素片の側に形成してある接合金属層と下部電極の上側金属層とを接合することで、ＫＮＮ素片と下部電極との高い接合強度を得ている。また、ＫＮＮ素片をパターニングして下部電極より小さい面積の圧電材料部とすることで、共振で生じた振動エネルギーを、圧電材料部に閉じ込めている。
しかしながら、上述した技術では、圧電材料部を小さい面積としているため、上部電極の形成や上部電極への配線などの形成のために、圧電材料部の周囲を絶縁層で埋め込んでいる。このように、振動部の周囲に絶縁層が形成されているため、横方向への振動漏れが生じ、Ｑが低下するという問題がある。
以下、上述した問題点を解消するために、横方向への振動漏れを抑制した状態で、高い結晶性の圧電薄膜と音響反射膜とを、高い強度で一体にできるようにする、本発明に係る圧電薄膜素子の製造方法について説明する。
以下、本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子の製造方法ついて図２Ａ〜図２Ｆを参照して説明する。図２Ａ〜図２Ｆは、本発明の実施の形態に係る圧電薄膜素子（圧電共振器）の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
まず、図２Ａに示すように、圧電材料の単結晶から構成された圧電単結晶基板２０１の一方の面２０１ａに、圧電単結晶基板２０１の設計された素子領域より小さい面積とされた所定の平面形状の第１電極２０２ａを形成する（第１工程）。例えば、圧電単結晶基板２０１には、各々が圧電共振器となる複数の素子領域が設定され、各素子領域の各々に第１電極２０２ａを形成する。圧電単結晶基板２０１に、１つの素子領域が設定されていても良い。素子領域の平面視中央部と第１電極２０２ａの平面視中央部とが実質的に重なる状態とする。なお、図２Ａ〜図２Ｆでは、１つの素子領域を示している。
圧電単結晶基板２０１は、例えば昇華法を用いて作製したＡｌＮの単結晶基板であり、主表面がｃ面とされ、板厚が２５０μｍ程度とされている。また、第１電極２０２ａは、Ｐｔ，Ｍｏ，Ｗなどの金属から構成する。例えば、よく知られたＲＦマグネトロンスパッタ法によりＭｏを堆積して金属膜を形成し、この上に公知のフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとして金属膜をイオンミリングによりエッチングし、この後レジストパターンを除去することで、第１電極２０２ａが形成できる。上記レジストパターンは、圧電単結晶基板２０１に予め形成してある位置合わせマークを基準として位置合わせを行って形成すれば良い。
次に、図２Ｂに示すように、支持基板２０３の上に、互いに音響インピーダンスの異なる複数の層が交互に積層された音響反射膜２０４を形成し、音響反射膜２０４の一方の面２０４ａに第２電極２０２ｂを形成する（第２工程）。面２０４ａは、貼り合わせ側の面となる。音響反射膜２０４においては、隣り合う層は音響インピーダンスが異なり、１つおきに同じ音響インピーダンスの層が積層されている。第２電極２０２ｂは、第１電極２０２ａとは異なる面積に形成する。例えば、第２電極２０２ｂは、第１電極２０２ａより小さい面積に形成する。なお、第１電極２０２ａを、第２電極２０２ｂより小さい面積に形成しても良い。また、第２電極２０２ｂは、第１電極２０２ａより薄く形成する。
支持基板２０３は、例えば、Ｓｉ（１１１）から構成され、厚さ２５０μｍとされている。Ｓｉ（１１１）から構成した支持基板２０３は、高抵抗であることが望ましく、例えば、比抵抗が１０００Ω／ｃｍ以上であればよい。
音響反射膜２０４は、音響インピーダンスの異なる複数の高音響インピーダンス層２４１，低音響インピーダンス層２４２が、交互に３対積層されて構成されている。高音響インピーダンス層２４１，低音響インピーダンス層２４２の対が、２対から４対積層されていれば良い。ここで、高音響インピーダンス層２４１は、低音響インピーダンス層２４２より音響インピーダンスが高い。例えば、高音響インピーダンス層２４１は、ＡｌＮから構成されて厚さ１．４μｍとされている。また、低音響インピーダンス層２４２は、例えば、ＳｉＯ2から構成されて厚さ０．７μｍとされている。これらは、例えば、ＲＦマグネトロンスパッタ法により形成できる。
より音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層２４１は、ＡｌＮに限らず、ＺｎＯ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｌ2Ｏ3などから構成することができる。また、より音響インピーダンスが低い低音響インピーダンス層２４２は、ＳｉＯ2に限らず、Ｍｇ，Ａｌなどから構成することができる。なお、音響反射膜２０４の総厚は、後述する圧電薄膜２０５が単独の状態における共振周波数の音波（バルク波）が、単独の状態とした音響反射膜２０４を伝搬するときの波長の１／４とする。
また、第２電極２０２ｂは、Ｐｔ，Ｍｏ，Ｗなどの金属から構成する。例えば、よく知られたＲＦマグネトロンスパッタ法によりＭｏを堆積して金属膜を形成し、この上に公知のフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとして金属膜をイオンミリングによりエッチングし、この後レジストパターンを除去することで、第２電極２０２ｂが形成できる。上記レジストパターンは、支持基板２０３に予め形成してある位置合わせマークを基準として位置合わせを行って形成すれば良い。
次に、図２Ｃに示すように、第１電極２０２ａと第２電極２０２ｂとを貼り合わせる（第３工程）。平面視で、第１電極２０２ａの中央部（中心）と第２電極２０２ｂの中央部とが重なる状態に位置合わせして貼り合わせる（接合させる）。この実施の形態では、第２電極２０２ｂを第１電極２０２ａより小さい面積としているので、平面視で、第２電極２０２ｂは、第１電極２０２ａの形成領域の内側に配置される。このように、金属同士を接合させているので、高い接合強度が得られるようになる。また、接合させたことにより、第１電極２０２ａと第２電極２０２ｂとは一体となり、これらにより後述する圧電薄膜２０５による共振器を構成する一方の電極となる。
例えば、第１電極２０２ａと第２電極２０２ｂとを上述したように位置合わせして当接させ、この状態で２００〜３００℃程度に加熱し、両者の間に圧力を加えることで接合させれば良い。また、表面活性化接合法や原子拡散接合法などにより接合させても良い。また、共晶接合により接合させても良い。
次に、圧電単結晶基板２０１の他方の面２０１ｂから圧電単結晶基板２０１を薄層化し、図２Ｄに示すように、音響反射膜２０４の上に第２電極２０２ｂ，第１電極２０２ａ，および圧電単結晶基板２０１を薄層化して得られた圧電薄膜２０５が積層された状態とする（第４工程）。例えば、第１電極２０２ａが形成されている電極形成領域の圧電薄膜２０５の厚さは、２．８μｍ程度にすれば良い。このように、高い結晶性を有する圧電単結晶基板２０１を貼り合わせて薄層化することで圧電薄膜２０５を得ているので、圧電薄膜２０５も高い結晶性が得られている。
この薄層化は、研磨により実施するとよい。研磨により薄層化することで、圧電薄膜２０５の第１電極２０２ａが形成されている電極形成領域（振動部）が、この周囲の第１電極２０２ａが形成されていない電極未形成領域（非振動部）より薄くなる。なお、圧電薄膜２０５の第１電極２０２ａが形成されている電極形成領域の厚さは、単独の状態とした圧電薄膜２０５の共振周波数の音波が単独の圧電薄膜２０５を伝搬するときの波長λの半分もしくは１／４とされていれば良い。
上述した薄層化における圧電単結晶基板２０１を研磨においては、硬質タイプの研磨用パッドを用いると良い。この研磨において、研磨面となる面２０１ｂに対して裏面となる面２０１ａには、部分的に第１電極２０２ａが形成され、第１電極２０２ａの周囲の電極未形成領域は、音響反射膜２０４と面２０１ａとの間に空隙が存在している。このため、第１電極２０２ａが形成されている電極形成領域と、この周囲の電極未形成領域とでは、研磨における面２０１ｂに対する圧力（研磨圧力）が異なる状態となる。
第１電極２０２ａが形成されている電極形成領域は、この周囲の電極未形成領域に比較して研磨圧力が大きく、研磨の速度が速くなる。一方、第１電極２０２ａの周囲の電極未形成領域は、研磨圧力が小さく、研磨の速度が遅くなる。この研磨速度の差により、圧電薄膜２０５の電極形成領域には、平面視で第１電極２０２ａと中心を共通とする平面形状の凹部２０６が形成される。この結果、圧電薄膜２０５の第１電極２０２ａが形成されている電極形成領域は、この周囲の電極未形成領域より薄く形成されるものとなる。
次に、図２Ｅに示すように、圧電薄膜２０５を挾んで第１電極２０２ａに向かい合い第１電極２０２ａより大きな面積の第３電極２０７を、圧電薄膜２０５の上に形成する（第５工程）。第３電極２０７は、圧電薄膜２０５による共振器を構成する他方の電極となる。平面視で、第１電極２０２ａ（第２電極２０２ｂ）の中央部と第３電極２０７の中央部とが重なる状態に、第３電極２０７を配置すれば良い。平面視で、第１電極２０２ａは、第３電極２０７の形成領域の内側に配置される。
例えば、第３電極２０７は、Ｐｔ，Ｍｏ，Ｗなどの金属から構成する。例えば、よく知られたＲＦマグネトロンスパッタ法によりＭｏを堆積して金属膜を形成し、この上に公知のフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとして金属膜をイオンミリングによりエッチングし、この後レジストパターンを除去することで、第３電極２０７が形成できる。また、よく知られたリフトオフ法により、第３電極２０７を形成しても良い。いずれにおいても、レジストパターン（リフトオフパターン）は、圧電単結晶基板２０１に形成してあり圧電薄膜２０５の状態においても残っている位置合わせマークを基準として位置合わせを行って形成すれば良い。
なお、図示はしないが、第２電極２０２ｂ，第１電極２０２ａ，および第３電極２０７との組からなる複数の素子（圧電共振器）を、電気的に所定の接続をしてＳＭＲフィルタを構成し、ＳＭＲフィルタ毎に支持基板２０３より切り出す。また、ＳＭＲフィルタを構成する一部の圧電共振器は、異なる共振周波数にする必要がある。その場合は、対応する圧電共振器の第３電極２０７の上にさらに重し電極を形成し、対応する圧電共振器の周波数を設定する。また、個々の素子領域で切り出して複数の素子としても良い。
上述した圧電薄膜素子は、平面視で第１電極２０２ａと第３電極２０７とが重なる部分が実効的に電界の印加される領域となり、第１電極２０２ａと第３電極２０７の間に交流電圧を印加すると、共振周波数となる周波数で共振を生じる。
第３電極２０７の側に伝搬した共振によるバルク波は、第３電極２０７の概ね端面にて反射し、第１電極２０２ａの側に伝搬したバルク波は、音響反射膜２０４に伝搬する。音響反射膜２０４の厚さは、共振周波数のバルク波が、単独の状態とした音響反射膜２０４を伝搬するときの波長の１／４とされているため、各々の高音響インピーダンス層２４１，低音響インピーダンス層２４２の境界面からの反射波の位相が重なり、実効的に支持基板２０３の影響を受けなくなる。
また、圧電薄膜２０５で励振したバルク波は、圧電薄膜２０５の平面方向（横方向）にも伝搬する。これに対し、上述した実施の形態における圧電薄膜素子によれば、第２電極２０２ｂと第１電極２０２ａとの面積が異なっていることから、これらによる一方の電極周囲の音響インピーダンスが、電極内側の音響インピーダンスと異なっている。この結果、振動エネルギーを、一方の電極の形成領域内に閉じ込めることが可能となり、横方向への振動漏れが抑制できる。
以上に説明したように、実施の形態によれば、第１電極２０２ａと、第１電極２０２ａとは異なる面積の第２電極２０２ｂとを貼り合わせることで、音響反射膜２０４の上に圧電薄膜２０５を配置するようにしたので、横方向への振動漏れを抑制した状態で、高い結晶性の圧電薄膜２０５と音響反射膜２０４とを、高い強度で一体にすることができる。
また、上述したように、接合した後に研磨により圧電単結晶基板２０１から圧電薄膜２０５を形成しているため、第１電極２０２ａの形成領域の振動部（電極形成領域）の圧電薄膜２０５の厚さが、平面視で第１電極２０２ａより外周の非振動部（電極未形成領域）における圧電薄膜２０５の厚さより薄くなる。この構成によっても、振動エネルギーが振動部に閉じ込められるため、横方向への振動漏れが抑制でき、不要なスプリアスの発生が抑制できるようになる。
また、図２Ｆに示すように、第３電極２０７の上に補助電極２０７ａを形成しても良い。補助電極２０７ａは、第３電極２０７の上面の、周縁部または周縁に近い領域に設ければよい。また、補助電極２０７ａは、第３電極２０７の周縁に沿う平面形状に形成すればよい。第３電極２０７の上に補助電極２０７ａを設けることで、更に、振動エネルギーが振動部へ閉じ込められ、不要なスプリアスの発生が更に抑制できるようになる。また、補助電極２０７ａを可能な範囲で厚くするとより上記効果がより得られるようになる。補助電極２０７ａの形成箇所や厚さは、スプリアスの発生周波数により適宜に設定すればよい。
なお、第３電極２０７下に振動エネルギーが閉じ込められると、第３電極２０７内での多重反射によるスプリアスが発生する。これを抑制するために、圧電薄膜２０５を挾む電極が重なる部分の平面形状、言い換えると、第１電極２０２ａの平面視の形状を、楕円や、対向する辺が平行にならないような多角形の形状にするとよい。
ところで、第１電極２０２ａより第２電極２０２ｂの方を小さい面積としている場合、図３Ａ，図３Ｂに示すように、第２電極２０２ｂの周囲に、補助第２電極２２１，補助第２電極２２２を適切に配置して形成してもよい。このように、補助第２電極２２１，補助第２電極２２２を設けることで、第１電極２０２ａとの接合後に一体となった状態において、中心部と周辺部とで、異なる音響インピーダンス領域を設定することができる。第２電極２０２ｂより第１電極２０２ａの方を小さい面積としている場合、第１電極２０２ａの周囲に補助電極を設ければ良い。また、図３Ｃに示すように、第３電極２０７の上に補助第３電極２２３を形成しても良い。補助第３電極２２３を設けることで、前述した補助電極２０７ａと同様の効果が得られる。
また、実施の形態によれば、堆積などによる成膜によらずに圧電薄膜を形成しているため、圧電薄膜として種々の圧電材料が選択可能である。例えば、上述したＡｌＮに限らず、ＺｎＯ，ＬｉＴａＯ3，ＬｉＮｂＯ3，水晶、ＫＮｂＯ3などを圧電薄膜（圧電単結晶基板）として用いることができる。さらに、任意の結晶方位の圧電単結晶基板を選択して圧電薄膜とすることができるため、フィルタ設計の自由度が高い。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、本発明の圧電薄膜素子は、デュプレクサにも適用可能である。
なお、本出願は国の委託（総務省 平成２８年度戦略的情報通信研究開発推進事業）に係る研究開発の成果に係る出願である。
１０１…圧電単結晶基板、１０１ａ…面、１０１ｂ…面、１０２…第１電極、１０３…支持基板、１０４…音響反射膜、１０５…圧電薄膜、１０６…凹部、１０７…第２電極、１４１…高音響インピーダンス層、１４２…低音響インピーダンス層、２０１…圧電単結晶基板、２０１ａ…面、２０１ｂ…面、２０２ａ…第１電極、２０２ｂ…第２電極、２０３…支持基板、２０４…音響反射膜、２０４ａ…面、２０５…圧電薄膜、２０６…凹部、２０７…第３電極、２４１…高音響インピーダンス層、２４２…低音響インピーダンス層。

Claims (1)

  1. 圧電材料の単結晶から構成された圧電単結晶基板の一方の面に、前記圧電単結晶基板より小さい面積とされた所定の平面形状の第１電極を形成する第１工程と、
    音響インピーダンスの異なる複数の層が交互に積層された音響多層膜の一方の面に前記第１電極とは異なる面積の第２電極を形成する第２工程と、
    前記第１電極と前記第２電極とを貼り合わせる第３工程と、
    前記圧電単結晶基板を薄層化して前記音響多層膜の上に前記第２電極，前記第１電極，および前記圧電単結晶基板を薄層化して得られた圧電薄膜が積層された状態とする第４工程と、
    前記圧電薄膜を挾んで前記第１電極に向かい合い前記第１電極より大きな面積の第３電極を前記圧電薄膜の上に形成する第５工程と
    を備えることを特徴とする圧電薄膜素子の製造方法。
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