JP2020092322A - Piezoelectric film and manufacturing method thereof, piezoelectric device, resonator, filter and multiplexer - Google Patents

Piezoelectric film and manufacturing method thereof, piezoelectric device, resonator, filter and multiplexer Download PDF

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Abstract

To improve piezoelectricity.SOLUTION: A piezoelectric film according to the present invention includes a plurality of crystal grains 44 containing a piezoelectric material, and the average crystal grain size in the central region in the thickness direction is larger than the average crystal grain size in regions on both sides of the central region in the thickness direction.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、圧電膜およびその製造方法、圧電デバイス、共振器、フィルタ並びにマルチプレクサに関する。 The present invention relates to a piezoelectric film and a method for manufacturing the same, a piezoelectric device, a resonator, a filter, and a multiplexer.

圧電薄膜共振器等の圧電デバイスおよび弾性波デバイスには圧電膜が用いられている。圧電膜として窒化アルミニウム膜を用い、窒化アルミニウム膜にスカンジウムを添加することで、圧電膜の圧電性が向上することが知られている(例えば特許文献1)。窒化アルミニウム膜に2族元素または12族元素と4族元素または5族元素を添加することで圧電性が向上することが知られている(例えば特許文献2)。 Piezoelectric films are used for piezoelectric devices such as piezoelectric thin film resonators and acoustic wave devices. It is known that an aluminum nitride film is used as a piezoelectric film and scandium is added to the aluminum nitride film to improve the piezoelectricity of the piezoelectric film (for example, Patent Document 1). It is known that the piezoelectricity is improved by adding a Group 2 element or a Group 12 element and a Group 4 element or a Group 5 element to the aluminum nitride film (for example, Patent Document 2).

特開2011−15148号公報JP, 2011-15148, A 特開2013−219743号公報JP, 2013-219743, A

特許文献1および2のように、窒化アルミニウム膜に不純物を添加すると、窒化アルミニウム膜の圧電性は向上するが電気機械結合係数は低下する。このように、圧電膜の電気機械結合係数を低下させずに、圧電性を向上させることは難しい。 When impurities are added to the aluminum nitride film as in Patent Documents 1 and 2, the piezoelectricity of the aluminum nitride film is improved but the electromechanical coupling coefficient is decreased. As described above, it is difficult to improve the piezoelectricity without lowering the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric film.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電性を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to improve piezoelectricity.

本発明は、圧電材料を含む複数の結晶粒を含み、厚さ方向の中央領域における平均結晶粒径は、前記厚さ方向における前記中央領域の両側の領域における平均結晶粒径より大きい圧電膜である。 The present invention is a piezoelectric film including a plurality of crystal grains containing a piezoelectric material, wherein the average crystal grain size in the central region in the thickness direction is larger than the average crystal grain size in regions on both sides of the central region in the thickness direction. is there.

上記構成において、前記中央領域における平均結晶粒径は、前記両側の領域における平均結晶粒径の1.5倍以上である構成とすることができる。 In the above structure, the average crystal grain size in the central region may be 1.5 times or more the average crystal grain size in the regions on both sides.

上記構成において、前記圧電膜の厚さ方向に積層された第1圧電膜および第2圧電膜を備え、前記第1圧電膜と前記第2圧電膜との界面において前記複数の結晶粒は連続せず、前記中央領域は前記界面を含み、前記中央領域内の前記第1圧電膜の平均結晶粒径と前記中央領域内の前記第2圧電膜の平均結晶粒径とは、前記両側の領域における平均結晶粒径より大きい構成とすることができる。 In the above structure, the piezoelectric film includes a first piezoelectric film and a second piezoelectric film laminated in a thickness direction, and the plurality of crystal grains are continuous at an interface between the first piezoelectric film and the second piezoelectric film. The central region includes the interface, and the average crystal grain size of the first piezoelectric film in the central region and the average crystal grain size of the second piezoelectric film in the central region are in the regions on both sides. It can be configured to be larger than the average crystal grain size.

上記構成において、前記第1圧電膜および前記第2圧電膜における平均結晶粒径は、前記第1圧電膜および前記第2圧電膜の前記界面の反対の面から前記界面に行くに従い大きくなる構成とすることができる。 In the above structure, the average crystal grain size in the first piezoelectric film and the second piezoelectric film increases from the surface opposite to the interface of the first piezoelectric film and the second piezoelectric film to the interface. can do.

上記構成において、前記複数の結晶粒は柱状構造を有し、前記厚さ方向の中央領域における前記厚さ方向から見た平均結晶粒径は、前記厚さ方向における前記両側の領域における前記厚さ方向から見た平均結晶粒径より大きい構成とすることができる。 In the above configuration, the plurality of crystal grains have a columnar structure, the average crystal grain size viewed from the thickness direction in the central region of the thickness direction is the thickness in the regions on both sides in the thickness direction. It can be configured to be larger than the average crystal grain size viewed from the direction.

上記構成において、前記圧電材料は窒化アルミニウムである構成とすることができる。 In the above structure, the piezoelectric material may be aluminum nitride.

本発明は、基板と、前記基板上に設けられた上記圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第1電極および第2電極と、を備える圧電デバイスである。 The present invention provides a substrate, a piezoelectric film provided on the substrate, a first electrode and a second electrode that face each other with at least a part of the piezoelectric film sandwiched in the thickness direction, and are in contact with the regions on both sides. And a piezoelectric device including.

本発明は、基板と、前記基板上に設けられた上記圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第1電極および第2電極と、を備える共振器である。 The present invention provides a substrate, a piezoelectric film provided on the substrate, a first electrode and a second electrode that face each other with at least a part of the piezoelectric film sandwiched in the thickness direction, and are in contact with the regions on both sides. And a resonator including.

本発明は、基板と、前記基板上に設けられた上記圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第1電極および第2電極と、前記第1圧電膜と前記第2圧電膜との間に設けられた挿入膜と、を備える共振器である。 The present invention provides a substrate, a piezoelectric film provided on the substrate, a first electrode and a second electrode that face each other with at least a part of the piezoelectric film sandwiched in the thickness direction, and are in contact with the regions on both sides. And an insertion film provided between the first piezoelectric film and the second piezoelectric film.

本発明は、上記共振器を含むフィルタである。 The present invention is a filter including the above resonator.

本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。 The present invention is a multiplexer including the above filter.

本発明は、第1基板上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなるように第1圧電膜を形成する工程と、第2基板上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなりかつ成長面が前記第1圧電膜の成長面と反対の分極面となるように第2圧電膜を形成する工程と、前記第1圧電膜の前記第1基板と反対の表面と、前記第2圧電膜の前記第2基板と反対の表面と、を接合させる工程と、を含む圧電膜の製造方法である。 The present invention comprises a step of forming a first piezoelectric film on a first substrate so that the crystal grain size becomes larger as it grows, and a crystal grain size becomes larger and grows as it grows on a second substrate. Forming a second piezoelectric film so that its surface is a polarization surface opposite to the growth surface of the first piezoelectric film; a surface of the first piezoelectric film opposite to the first substrate; and a second piezoelectric film. And a surface of the second substrate opposite to the surface of the second substrate are bonded together.

本発明によれば、圧電性を向上させることができる。 According to the present invention, piezoelectricity can be improved.

図1(a)は、実施例1に係る圧電薄膜共振器の平面図、図1(b)および図1(c)は、図1(a)のA−A断面図である。1A is a plan view of the piezoelectric thin film resonator according to the first embodiment, and FIGS. 1B and 1C are cross-sectional views taken along the line AA of FIG. 1A. 図2(a)から図2(e)は、実施例1に係る直列共振器の製造方法を示す断面図(その1)である。2A to 2E are cross-sectional views (No. 1) showing the method of manufacturing the series resonator according to the first embodiment. 図3(a)から図3(e)は、実施例1に係る直列共振器の製造方法を示す断面図(その2)である。3A to 3E are cross-sectional views (No. 2) showing the method for manufacturing the series resonator according to the first embodiment. 図4は、実施例1における圧電膜付近の断面模式図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view near the piezoelectric film in Example 1. 図5(a)から図5(c)は、図4におけるそれぞれA−A断面模式図、B−B断面模式図およびC−C断面模式図である。5A to 5C are a schematic cross-sectional view taken along the line AA, a schematic cross-sectional view taken along the line BB, and a schematic cross-sectional view taken along the line C-C in FIG. 4, respectively. 図6(a)は、シミュレーション1における圧電薄膜共振器の断面図、図6(b)は、サンプルAからCの反共振周波数におけるQ値を示す図である。FIG. 6A is a cross-sectional view of the piezoelectric thin film resonator in Simulation 1, and FIG. 6B is a diagram showing Q values at the antiresonance frequencies of Samples A to C. 図7(a)から図7(c)は、シミュレーション1における歪、応力および弾性波エネルギー密度を示す図である。FIG. 7A to FIG. 7C are diagrams showing strain, stress, and elastic wave energy density in the simulation 1. 図8(a)および図8(b)は、実施例1に係る圧電膜の断面模式図である。8A and 8B are schematic cross-sectional views of the piezoelectric film according to the first embodiment. 図9は、サンプル数に対する標準誤差を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the standard error with respect to the number of samples. 図10(a)から図10(c)は、それぞれ実施例1の変形例1から3に係る圧電薄膜共振器の断面図である。10A to 10C are cross-sectional views of the piezoelectric thin film resonators according to Modifications 1 to 3 of Example 1, respectively. 図11(a)は、実施例2に係るフィルタの回路図、図11(b)は、実施例2の変形例1に係るデュプレクサの回路図である。FIG. 11A is a circuit diagram of the filter according to the second embodiment, and FIG. 11B is a circuit diagram of the duplexer according to the first modification of the second embodiment.

以下、図面を参照し実施例について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

図1(a)は、実施例1に係る圧電薄膜共振器の平面図、図1(b)および図1(c)は、図1(a)のA−A断面図である。図1(b)は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図1(c)は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。 1A is a plan view of the piezoelectric thin film resonator according to the first embodiment, and FIGS. 1B and 1C are cross-sectional views taken along the line AA of FIG. 1A. FIG. 1B shows a cross-sectional view of, for example, a series resonator of a ladder type filter, and FIG. 1C shows a parallel resonator of, for example, a ladder type filter.

図1(a)および図1(b)を参照し、直列共振器Sの構造について説明する。基板10上に、下部電極12が設けられている。基板10の平坦主面と下部電極12との間にドーム状の膨らみを有する空隙30が形成されている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙30の周辺では空隙30の高さが小さく、空隙30の内部ほど空隙30の高さが大きくなるような形状の膨らみである。基板10は例えばシリコン(Si)基板である。下部電極12は下層12aと上層12bとを含んでいる。下層12aおよび上層12bは例えばそれぞれクロム(Cr)膜およびルテニウム(Ru)膜である。 The structure of the series resonator S will be described with reference to FIGS. 1(a) and 1(b). The lower electrode 12 is provided on the substrate 10. A void 30 having a dome-shaped bulge is formed between the flat main surface of the substrate 10 and the lower electrode 12. The dome-shaped bulge is, for example, a bulge in which the height of the void 30 is small around the void 30 and the height of the void 30 increases toward the inside of the void 30. The substrate 10 is, for example, a silicon (Si) substrate. The lower electrode 12 includes a lower layer 12a and an upper layer 12b. The lower layer 12a and the upper layer 12b are, for example, a chromium (Cr) film and a ruthenium (Ru) film, respectively.

下部電極12上に、圧電膜14が設けられている。圧電膜14は、多結晶であり複数の結晶粒を含む。圧電膜14は、例えば(0001)方向を主軸とする(すなわちC軸配向性を有する)窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム膜である。圧電膜14は、下部電極12に接する下部圧電膜14aおよび上部電極16に接する上部圧電膜14bを含む。 A piezoelectric film 14 is provided on the lower electrode 12. The piezoelectric film 14 is polycrystalline and includes a plurality of crystal grains. The piezoelectric film 14 is, for example, an aluminum nitride film containing aluminum nitride whose main axis is the (0001) direction (that is, having C-axis orientation) as a main component. The piezoelectric film 14 includes a lower piezoelectric film 14 a that contacts the lower electrode 12 and an upper piezoelectric film 14 b that contacts the upper electrode 16.

下部圧電膜14aと上部圧電膜14bとの間に挿入膜28が設けられている。挿入膜28は例えば酸化シリコン膜である。挿入膜28は共振領域50内の外周領域52に設けられ、中央領域54に設けられていない。挿入膜28は、外周領域52から共振領域50外まで連続して設けられている。 An insertion film 28 is provided between the lower piezoelectric film 14a and the upper piezoelectric film 14b. The insertion film 28 is, for example, a silicon oxide film. The insertion film 28 is provided in the outer peripheral region 52 in the resonance region 50, and is not provided in the central region 54. The insertion film 28 is continuously provided from the outer peripheral region 52 to the outside of the resonance region 50.

圧電膜14を挟み下部電極12と対向する領域(共振領域50)を有するように圧電膜14上に上部電極16が設けられている。共振領域50は、楕円形状を有し、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。平面視において共振領域50は空隙30に重なり、空隙30は共振領域50と同じか大きい。すなわち、平面視において共振領域50の全ては空隙30と重なる。上部電極16は下層16aおよび上層16bを含んでいる。下層16aおよび上層16bは例えばそれぞれルテニウム膜およびクロム膜である。 The upper electrode 16 is provided on the piezoelectric film 14 so as to have a region (resonance region 50) facing the lower electrode 12 with the piezoelectric film 14 interposed therebetween. The resonance region 50 has an elliptical shape and is a region where elastic waves in the thickness extensional vibration mode resonate. The resonance region 50 overlaps the air gap 30 in a plan view, and the air gap 30 is equal to or larger than the resonance region 50. That is, the entire resonance region 50 overlaps the void 30 in a plan view. The upper electrode 16 includes a lower layer 16a and an upper layer 16b. The lower layer 16a and the upper layer 16b are, for example, a ruthenium film and a chromium film, respectively.

上部電極16上には周波数調整膜24として酸化シリコン膜が形成されている。共振領域50内の積層膜18は、下部電極12、圧電膜14、挿入膜28、上部電極16および周波数調整膜24を含む。周波数調整膜24はパッシベーション膜として機能してもよい。 A silicon oxide film is formed as the frequency adjustment film 24 on the upper electrode 16. The laminated film 18 in the resonance region 50 includes the lower electrode 12, the piezoelectric film 14, the insertion film 28, the upper electrode 16, and the frequency adjustment film 24. The frequency adjustment film 24 may function as a passivation film.

図1(a)のように、下部電極12には犠牲層をエッチングするための導入路33が形成されている。犠牲層は空隙30を形成するための層である。導入路33の先端付近は圧電膜14で覆われておらず、下部電極12は導入路33の先端に孔部35を有する。 As shown in FIG. 1A, the introduction path 33 for etching the sacrificial layer is formed in the lower electrode 12. The sacrificial layer is a layer for forming the void 30. The vicinity of the tip of the introduction path 33 is not covered with the piezoelectric film 14, and the lower electrode 12 has a hole 35 at the tip of the introduction path 33.

図1(a)および図1(c)を参照し、並列共振器Pの構造について説明する。並列共振器Pは直列共振器Sと比較し、上部電極16の下層16aと上層16bとの間に、チタン(Ti)層からなる質量負荷膜20が設けられている。よって、積層膜18は直列共振器Sの積層膜に加え、共振領域50内の全面に形成された質量負荷膜20を含む。その他の構成は直列共振器Sの図1(b)と同じであり説明を省略する。 The structure of the parallel resonator P will be described with reference to FIGS. 1(a) and 1(c). The parallel resonator P is different from the series resonator S in that a mass load film 20 made of a titanium (Ti) layer is provided between the lower layer 16a and the upper layer 16b of the upper electrode 16. Therefore, the laminated film 18 includes, in addition to the laminated film of the series resonator S, the mass load film 20 formed on the entire surface in the resonance region 50. The other configuration is the same as that of the series resonator S shown in FIG.

直列共振器Sと並列共振器Pとの共振周波数の差は、質量負荷膜20の膜厚を用い調整する。直列共振器Sと並列共振器Pとの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜24の膜厚を調整することにより行なう。 The difference in resonance frequency between the series resonator S and the parallel resonator P is adjusted by using the thickness of the mass load film 20. The resonance frequencies of both the series resonator S and the parallel resonator P are adjusted by adjusting the film thickness of the frequency adjustment film 24.

2GHzの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、下部電極12のクロム膜からなる下層12aの膜厚は100nm、ルテニウム膜からなる上層12bの膜厚は210nmである。窒化アルミニウム膜からなる圧電膜14の膜厚は1100nmである。酸化シリコン膜からなる挿入膜28の膜厚は150nmである。上部電極16のルテニウム膜からなる下層16aの膜厚は230nm、クロム膜からなる上層16bの膜厚は50nmである。酸化シリコン膜からなる周波数調整膜24の膜厚は50nmである。チタン膜からなる質量負荷膜20の膜厚は120nmである。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。 In the case of a piezoelectric thin film resonator having a resonance frequency of 2 GHz, the lower layer 12a made of a chromium film of the lower electrode 12 has a film thickness of 100 nm, and the upper layer 12b made of a ruthenium film has a film thickness of 210 nm. The film thickness of the piezoelectric film 14 made of an aluminum nitride film is 1100 nm. The thickness of the insertion film 28 made of a silicon oxide film is 150 nm. The lower layer 16a made of a ruthenium film of the upper electrode 16 has a thickness of 230 nm, and the upper layer 16b made of a chromium film has a thickness of 50 nm. The thickness of the frequency adjustment film 24 made of a silicon oxide film is 50 nm. The thickness of the mass load film 20 made of a titanium film is 120 nm. The film thickness of each layer can be appropriately set to obtain desired resonance characteristics.

基板10としては、シリコン基板以外に、サファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、石英基板、水晶基板、ガラス基板、セラミック基板またはGaAs基板等を用いることができる。下部電極12および上部電極16としては、ルテニウムおよびクロム以外にもアルミニウム(Al)、チタン、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)またはイリジウム(Ir)等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。例えば、上部電極16の下層16aをRu、上層16bをMoとしてもよい。 As the substrate 10, other than the silicon substrate, a sapphire substrate, an alumina substrate, a spinel substrate, a quartz substrate, a quartz substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, a GaAs substrate, or the like can be used. As the lower electrode 12 and the upper electrode 16, besides ruthenium and chromium, aluminum (Al), titanium, copper (Cu), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta), platinum (Pt), rhodium ( A single layer film such as Rh) or iridium (Ir) or a laminated film thereof can be used. For example, the lower layer 16a of the upper electrode 16 may be Ru and the upper layer 16b may be Mo.

圧電膜14は、窒化アルミニウム以外にも、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸鉛(PbTiO3)等を用いることができる。また、例えば、圧電膜14は、窒化アルミニウムを主成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素として、スカンジウム(Sc)、2族元素と4族元素との2つの元素、または2族元素と5族元素との2つの元素を用いることにより、圧電膜14の圧電性が向上する。このため、圧電薄膜共振器の実効的電気機械結合係数を向上できる。2族元素は、例えばカルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ストロンチウム(Sr)または亜鉛(Zn)である。4族元素は、例えばチタン、ジルコニウム(Zr)またはハフニウム(Hf)である。5族元素は、例えばタンタル、ニオブ(Nb)またはバナジウム(V)である。さらに、圧電膜14は、窒化アルミニウムを主成分とし、ボロン(B)を含んでもよい。 For the piezoelectric film 14, zinc oxide (ZnO), lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PbTiO 3 ) or the like can be used other than aluminum nitride. Further, for example, the piezoelectric film 14 may contain aluminum nitride as a main component, and may contain other elements for improving resonance characteristics or piezoelectric properties. For example, the piezoelectricity of the piezoelectric film 14 is improved by using scandium (Sc), two elements of group 2 elements and group 4 elements, or two elements of group 2 elements and group 5 elements as additional elements. To do. Therefore, the effective electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric thin film resonator can be improved. The Group 2 element is, for example, calcium (Ca), magnesium (Mg), strontium (Sr) or zinc (Zn). The Group 4 element is, for example, titanium, zirconium (Zr) or hafnium (Hf). The Group 5 element is, for example, tantalum, niobium (Nb) or vanadium (V). Furthermore, the piezoelectric film 14 may contain aluminum nitride as a main component and may contain boron (B).

挿入膜28は、圧電膜14よりヤング率および/または音響インピーダンスが小さい材料である。挿入膜28は、酸化シリコン以外に、アルミニウム(Al)、金(Au)、銅、チタン、白金、タンタルまたはクロム等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。 The insertion film 28 is a material whose Young's modulus and/or acoustic impedance is smaller than that of the piezoelectric film 14. As the insertion film 28, in addition to silicon oxide, a single layer film of aluminum (Al), gold (Au), copper, titanium, platinum, tantalum, chromium or the like or a laminated film thereof can be used.

周波数調整膜24としては、酸化シリコン膜以外にも窒化シリコン膜または窒化アルミニウム膜等を用いることができる。質量負荷膜20としては、チタン以外にも、下部電極12および上部電極16として例示した金属膜、または窒化シリコンまたは酸化シリコン等の絶縁膜を用いることもできる。 As the frequency adjusting film 24, a silicon nitride film, an aluminum nitride film, or the like can be used instead of the silicon oxide film. As the mass load film 20, other than titanium, a metal film exemplified as the lower electrode 12 and the upper electrode 16 or an insulating film such as silicon nitride or silicon oxide can be used.

[実施例1の製造方法]
図2(a)から図3(e)は、実施例1に係る直列共振器の製造方法を示す断面図である。図2(a)に示すように、平坦主面を有する基板10上に空隙を形成するための犠牲層38を形成する。犠牲層38の膜厚は、例えば10〜100nmであり、酸化マグネシウム(MgO)、酸化亜鉛(ZnO)、ゲルマニウム(Ge)または酸化シリコン(SiO)等のエッチング液またはエッチングガスに容易に溶解できる材料から選択される。その後、犠牲層38を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。犠牲層38の形状は、空隙30の平面形状に相当する形状であり、例えば共振領域50となる領域を含む。次に、犠牲層38および基板10上に下部電極12として下層12aおよび上層12bを形成する。犠牲層38および下部電極12は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用い成膜される。その後、下部電極12を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。下部電極12は、リフトオフ法により形成してもよい。
[Production method of Example 1]
2A to 3E are cross-sectional views showing a method of manufacturing the series resonator according to the first embodiment. As shown in FIG. 2A, a sacrificial layer 38 for forming voids is formed on the substrate 10 having a flat main surface. The sacrifice layer 38 has a film thickness of, for example, 10 to 100 nm, and can be easily dissolved in an etching solution or etching gas such as magnesium oxide (MgO), zinc oxide (ZnO), germanium (Ge), or silicon oxide (SiO 2 ). Selected from materials. Then, the sacrificial layer 38 is patterned into a desired shape by using the photolithography method and the etching method. The shape of the sacrificial layer 38 is a shape corresponding to the planar shape of the void 30, and includes, for example, a region serving as the resonance region 50. Next, the lower layer 12a and the upper layer 12b are formed as the lower electrode 12 on the sacrificial layer 38 and the substrate 10. The sacrificial layer 38 and the lower electrode 12 are formed by, for example, a sputtering method, a vacuum evaporation method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. After that, the lower electrode 12 is patterned into a desired shape by the photolithography method and the etching method. The lower electrode 12 may be formed by a lift-off method.

図2(b)に示すように、下部電極12および基板10上に下部圧電膜14aを、例えばスパッタリング法または真空蒸着法を用い成膜する。下部圧電膜14aがフォルマーウェーバー(Volmer-Weber)成長様式で成膜されると、下部圧電膜14aが成長するにしたがい下部圧電膜14a内の結晶粒径が大きくなる。よって、下部圧電膜14aでは、上面付近の結晶粒径は下部電極12付近の結晶粒径より大きくなる。また、例えば下部圧電膜14aが窒化アルミニウム膜の場合、下部圧電膜14aの上面はN面となる。その後、下部圧電膜14aの上面を例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて平坦化する。 As shown in FIG. 2B, a lower piezoelectric film 14a is formed on the lower electrode 12 and the substrate 10 by using, for example, a sputtering method or a vacuum evaporation method. When the lower piezoelectric film 14a is formed by the Volmer-Weber growth method, the crystal grain size in the lower piezoelectric film 14a increases as the lower piezoelectric film 14a grows. Therefore, in the lower piezoelectric film 14a, the crystal grain size near the upper surface is larger than the crystal grain size near the lower electrode 12. Further, for example, when the lower piezoelectric film 14a is an aluminum nitride film, the upper surface of the lower piezoelectric film 14a is the N surface. After that, the upper surface of the lower piezoelectric film 14a is planarized by using, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.

シリコン基板上に膜厚が1μmの窒化アルミニウム膜をスパッタリング法を用い成膜した。シリコン基板の上面に平行な断面をTEM(Transmission Electron Microscope)法を用い観察した。複数の結晶粒の面積を円相当の径に換算した。すなわち、結晶粒の面積がSのとき、結晶粒径Rを2×√(S/π)とした。複数の結晶粒径の平均を算出した。シリコン基板の上面から0.08μmの位置における平均結晶粒径(結晶粒のサンプル数は94個)は15.8nmであり、窒化アルミニウム膜の表面から0.08nmの位置(すなわちシリコン基板の上面から0.92μmの位置)における平均結晶粒径(サンプル数は71個)は44.8nmであった。上記は一例であり、圧電膜14の材料、下地層(下部電極12および基板10)の材料および圧電膜14の成膜方法により、平均結晶粒径は適宜設定できる。 An aluminum nitride film having a thickness of 1 μm was formed on a silicon substrate by a sputtering method. A cross section parallel to the upper surface of the silicon substrate was observed using a TEM (Transmission Electron Microscope) method. The area of a plurality of crystal grains was converted into a diameter corresponding to a circle. That is, when the area of the crystal grains is S, the crystal grain size R is 2×√(S/π). The average of a plurality of crystal grain sizes was calculated. The average crystal grain size at the position 0.08 μm from the upper surface of the silicon substrate (the number of crystal grains is 94) is 15.8 nm, and the position 0.08 nm from the surface of the aluminum nitride film (that is, from the upper surface of the silicon substrate). The average crystal grain size (the number of samples: 71) at a position of 0.92 μm) was 44.8 nm. The above is an example, and the average crystal grain size can be appropriately set depending on the material of the piezoelectric film 14, the material of the underlying layer (the lower electrode 12 and the substrate 10) and the method of forming the piezoelectric film 14.

図2(c)に示すように、下部圧電膜14aの上面の一部をフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い除去する。これにより、下部圧電膜14aの上面に凹部36aと凸部36bとが形成される。凹部36aは挿入膜28が形成される領域である。 As shown in FIG. 2C, a part of the upper surface of the lower piezoelectric film 14a is removed by photolithography and etching. As a result, the concave portion 36a and the convex portion 36b are formed on the upper surface of the lower piezoelectric film 14a. The recess 36a is a region where the insertion film 28 is formed.

図2(d)に示すように、下部圧電膜14aの上面に挿入膜28を例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはCVD法を用い形成する。図2(e)に示すように、挿入膜28の上面を例えばCMP法を用い平坦化する。これにより、凸部36b上の挿入膜28が除去され凸部36bの上面が挿入膜28から露出する。凹部36aに挿入膜28が形成される。 As shown in FIG. 2D, an insertion film 28 is formed on the upper surface of the lower piezoelectric film 14a by using, for example, a sputtering method, a vacuum evaporation method or a CVD method. As shown in FIG. 2E, the upper surface of the insertion film 28 is flattened by, for example, the CMP method. As a result, the insertion film 28 on the protrusion 36b is removed and the upper surface of the protrusion 36b is exposed from the insertion film 28. The insertion film 28 is formed in the recess 36a.

図3(a)に示すように、基板10とは別に基板32を準備する。基板32は例えばシリコン基板である。基板32は基板10において例示した材料の基板でもよい。基板32の平坦な上面にシード層34を成膜する。シード層34は例えばアルミニウム膜であり、例えば真空蒸着法またはスパッタリング法を用い形成する。シード層34上に上部圧電膜14bを例えばスパッタリング法または真空蒸着法を用い成膜する。上部圧電膜14bが成長するにしたがい上部圧電膜14b内の結晶粒径が大きくなる。よって、上部圧電膜14bでは、上部圧電膜14bの上面(図3(b)以降では下面)付近の結晶粒径はシード層34付近の結晶粒径より大きくなる。また、例えば上部圧電膜14bが窒化アルミニウム膜の場合、アルミニウム膜上に上部圧電膜14bを成膜すると上部圧電膜14bの上面(図3(b)以降では下面)はAl面となる。 As shown in FIG. 3A, a substrate 32 is prepared separately from the substrate 10. The substrate 32 is, for example, a silicon substrate. The substrate 32 may be a substrate made of the materials exemplified in the substrate 10. A seed layer 34 is formed on the flat upper surface of the substrate 32. The seed layer 34 is, for example, an aluminum film and is formed by using, for example, a vacuum vapor deposition method or a sputtering method. The upper piezoelectric film 14b is formed on the seed layer 34 by, for example, a sputtering method or a vacuum evaporation method. As the upper piezoelectric film 14b grows, the crystal grain size in the upper piezoelectric film 14b increases. Therefore, in the upper piezoelectric film 14b, the crystal grain size near the upper surface (the lower surface in FIG. 3B and subsequent figures) of the upper piezoelectric film 14b is larger than the crystal grain size near the seed layer 34. Further, for example, when the upper piezoelectric film 14b is an aluminum nitride film, when the upper piezoelectric film 14b is formed on the aluminum film, the upper surface (lower surface in FIG. 3B and subsequent figures) of the upper piezoelectric film 14b becomes an Al surface.

図3(b)に示すように、図3(a)の基板32および上部圧電膜14bの上下を逆にし、下部圧電膜14aおよび挿入膜28の上面と上部圧電膜14bの下面とを接合する。接合には、例えば表面活性化法等の常温における接合方法を用いる。表面活性化法では、下部圧電膜14aおよび挿入膜28の上面と上部圧電膜14bの下面とにイオンをイオンビーム、中性化したビームまたはプラズマとして、照射する。イオンは例えばアルゴン(Ar)イオン等の不活性元素(例えば希ガス元素)のイオンである。真空を維持した状態で、下部圧電膜14aおよび挿入膜28の上面と上部圧電膜14bの下面とを張り合わせると、活性化された下部圧電膜14aおよび挿入膜28の上面と上部圧電膜14bの下面とが接合される。 As shown in FIG. 3B, the substrate 32 and the upper piezoelectric film 14b of FIG. 3A are turned upside down, and the upper surfaces of the lower piezoelectric film 14a and the insertion film 28 and the lower surface of the upper piezoelectric film 14b are bonded. .. For joining, a joining method at room temperature such as a surface activation method is used. In the surface activation method, the upper surfaces of the lower piezoelectric film 14a and the insertion film 28 and the lower surface of the upper piezoelectric film 14b are irradiated with ions as an ion beam, a neutralized beam, or plasma. The ions are ions of an inert element (for example, a rare gas element) such as argon (Ar) ions. When the upper surfaces of the lower piezoelectric film 14a and the insertion film 28 and the lower surface of the upper piezoelectric film 14b are adhered to each other while maintaining the vacuum, the upper surfaces of the activated lower piezoelectric film 14a and the insertion film 28 and the upper piezoelectric film 14b are bonded. The lower surface is joined.

このような接合は常温(例えば100℃以下かつ−20℃以上、好ましくは80℃以下かつ0℃以上)で行われるため熱応力を抑制できる。また、下部圧電膜14aおよび挿入膜28の上面と上部圧電膜14bの下面とを接合層等の他の材料を介すことなく直接接合することができる。なお、表面活性化法を用いると、接合面に10nm以下のアモルファス層が形成されることがあるが、アモルファス層は非常に薄いため、下部圧電膜14aおよび挿入膜28の上面と上部圧電膜14bの下面とは実質的には直接接合されている。これにより、下部圧電膜14aおよび上部圧電膜14bを有する圧電膜14が形成される。下部圧電膜14aおよび上部圧電膜14bの上面はいずれもN面となる。これにより、下部圧電膜14aおよび上部圧電膜14bの静電分極の方向は同じとなる。 Since such joining is performed at room temperature (eg, 100° C. or lower and −20° C. or higher, preferably 80° C. or lower and 0° C. or higher), thermal stress can be suppressed. Further, the upper surfaces of the lower piezoelectric film 14a and the insertion film 28 and the lower surface of the upper piezoelectric film 14b can be directly bonded to each other without interposing another material such as a bonding layer. When the surface activation method is used, an amorphous layer having a thickness of 10 nm or less may be formed on the bonding surface. However, since the amorphous layer is very thin, the upper surfaces of the lower piezoelectric film 14a and the insertion film 28 and the upper piezoelectric film 14b are formed. Is substantially directly joined to the lower surface of the. As a result, the piezoelectric film 14 having the lower piezoelectric film 14a and the upper piezoelectric film 14b is formed. The upper surfaces of the lower piezoelectric film 14a and the upper piezoelectric film 14b are both N surfaces. Thereby, the lower piezoelectric film 14a and the upper piezoelectric film 14b have the same direction of electrostatic polarization.

図3(c)に示すように、基板32を例えばスマートカット法を用い除去する。シード層34を例えばCMP法またはエッチング法を用い除去する。これにより、圧電膜14の上面が露出する。 As shown in FIG. 3C, the substrate 32 is removed by using, for example, the smart cut method. The seed layer 34 is removed by using, for example, the CMP method or the etching method. As a result, the upper surface of the piezoelectric film 14 is exposed.

図3(d)に示すように、圧電膜14上に、上部電極16の下層16aおよび上層16bを、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはCVD法を用い成膜する。上部電極16を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。上部電極16は、リフトオフ法により形成してもよい。 As shown in FIG. 3D, the lower layer 16a and the upper layer 16b of the upper electrode 16 are formed on the piezoelectric film 14 by using, for example, a sputtering method, a vacuum deposition method or a CVD method. The upper electrode 16 is patterned into a desired shape by using the photolithography method and the etching method. The upper electrode 16 may be formed by a lift-off method.

なお、図1(c)に示す並列共振器においては、下層16aを形成した後に、質量負荷膜20を、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはCVD法を用い成膜する。質量負荷膜20をフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。その後、上層16bを形成する。 In the parallel resonator shown in FIG. 1C, after forming the lower layer 16a, the mass load film 20 is formed by using, for example, a sputtering method, a vacuum evaporation method or a CVD method. The mass load film 20 is patterned into a desired shape by photolithography and etching. Then, the upper layer 16b is formed.

周波数調整膜24を例えばスパッタリング法またはCVD法を用い形成する。フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い周波数調整膜24を所望の形状にパターニングする。 The frequency adjustment film 24 is formed by using, for example, a sputtering method or a CVD method. The frequency adjustment film 24 is patterned into a desired shape by using a photolithography method and an etching method.

図3(e)に示すように、周波数調整膜24および上部圧電膜14bをフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。挿入膜28および下部圧電膜14aをフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。これにより、圧電膜14の端面は段差を有する構造となる。 As shown in FIG. 3E, the frequency adjustment film 24 and the upper piezoelectric film 14b are patterned into a desired shape by photolithography and etching. The insertion film 28 and the lower piezoelectric film 14a are patterned into a desired shape by photolithography and etching. As a result, the end surface of the piezoelectric film 14 has a structure having a step.

その後、孔部35および導入路33(図1(a)参照)を介し、犠牲層38のエッチング液を下部電極12の下の犠牲層38に導入する。これにより、犠牲層38が除去される。犠牲層38をエッチングする媒体としては、犠牲層38以外の共振器を構成する材料をエッチングしない媒体であることが好ましい。特に、エッチング媒体は、エッチング媒体が接触する下部電極12がエッチングされない媒体であることが好ましい。積層膜18(図1(b)および図1(c)参照)の応力を圧縮応力となるように設定しておく。これにより、犠牲層38が除去されると、積層膜18が基板10の反対側に基板10から離れるように膨れる。下部電極12と基板10との間にドーム状の膨らみを有する空隙30が形成される。以上により、図1(a)および図1(b)に示した直列共振器S、および図1(a)および1(c)に示した並列共振器Pが作製される。 After that, the etching solution for the sacrificial layer 38 is introduced into the sacrificial layer 38 below the lower electrode 12 through the hole 35 and the introduction path 33 (see FIG. 1A). As a result, the sacrificial layer 38 is removed. The medium for etching the sacrificial layer 38 is preferably a medium that does not etch the material constituting the resonator other than the sacrificial layer 38. In particular, the etching medium is preferably a medium in which the lower electrode 12 with which the etching medium is in contact is not etched. The stress of the laminated film 18 (see FIGS. 1B and 1C) is set so as to be a compressive stress. As a result, when the sacrificial layer 38 is removed, the laminated film 18 swells on the opposite side of the substrate 10 away from the substrate 10. A space 30 having a dome-shaped bulge is formed between the lower electrode 12 and the substrate 10. As described above, the series resonator S shown in FIGS. 1A and 1B and the parallel resonator P shown in FIGS. 1A and 1C are manufactured.

[実施例1の断面模式図]
図4は、実施例1における圧電膜付近の断面模式図である。図4に示すように、接合面15において下部圧電膜14aと上部圧電膜14bとが直接接合されている。下部圧電膜14aおよび上部圧電膜14bは結晶粒44が積層方向に延伸する柱状構造を有する。結晶粒44の境界が粒界45である。接合面15において下部圧電膜14aと上部圧電膜14bの結晶粒44および粒界45は不連続である。結晶粒44および粒界45の一部は下部圧電膜14aを厚さ方向に貫通する。下部圧電膜14aでは、下部電極12付近には結晶粒44が多く形成されている。積層方向に行くに従い一部の結晶粒44は収束する。収束しない結晶粒44は積層方向に行くに従い大きくなる。上部圧電膜14bでは、下部圧電膜14aを上下逆にした構造になる。
[Cross-sectional schematic view of Example 1]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view near the piezoelectric film in Example 1. As shown in FIG. 4, the lower piezoelectric film 14a and the upper piezoelectric film 14b are directly bonded to each other on the bonding surface 15. The lower piezoelectric film 14a and the upper piezoelectric film 14b have a columnar structure in which crystal grains 44 extend in the stacking direction. The boundaries of the crystal grains 44 are grain boundaries 45. At the bonding surface 15, the crystal grains 44 and the grain boundaries 45 of the lower piezoelectric film 14a and the upper piezoelectric film 14b are discontinuous. Part of the crystal grain 44 and the grain boundary 45 penetrates the lower piezoelectric film 14a in the thickness direction. In the lower piezoelectric film 14a, many crystal grains 44 are formed near the lower electrode 12. Some crystal grains 44 converge as they go in the stacking direction. The crystal grains 44 that do not converge increase in size in the stacking direction. The upper piezoelectric film 14b has a structure in which the lower piezoelectric film 14a is turned upside down.

図5(a)から図5(c)は、図4におけるそれぞれA−A断面模式図、B−B断面模式図およびC−C断面模式図である。図5(a)から図5(c)に示すように、下部圧電膜14aおよび上部圧電膜14bの積層方向に直交する平面の断面においては、結晶粒44の方向依存性があまりない。図5(b)の結晶粒44は、図5(a)および図5(c)の結晶粒44より大きい。 5A to 5C are a schematic cross-sectional view taken along the line AA, a schematic cross-sectional view taken along the line BB, and a schematic cross-sectional view taken along the line C-C in FIG. 4, respectively. As shown in FIGS. 5A to 5C, in the cross section of the plane orthogonal to the stacking direction of the lower piezoelectric film 14a and the upper piezoelectric film 14b, the crystal grains 44 have little direction dependency. The crystal grains 44 in FIG. 5B are larger than the crystal grains 44 in FIGS. 5A and 5C.

[シミュレーション1]
圧電膜14に厚み縦振動などの振動が加わるとき、結晶粒44の粒界45ではすべりが生じる。このため、粒界45では弾性波エネルギーの損失が発生する。このため、平均結晶粒径が大きい領域ではマテリアルQが大きく、平均結晶粒界が小さい領域ではマテリアルQが小さくなる。そこで、圧電膜14内でマテリアルQが異なる場合について、厚み縦振動させたときの反共振周波数におけるQ値Qaを有限要素法を用いシミュレーションした。
[Simulation 1]
When vibration such as thickness longitudinal vibration is applied to the piezoelectric film 14, slip occurs at the grain boundary 45 of the crystal grain 44. Therefore, the elastic wave energy is lost at the grain boundary 45. Therefore, the material Q is large in the region where the average crystal grain size is large, and the material Q is small in the region where the average crystal grain boundary is small. Therefore, when the material Q is different in the piezoelectric film 14, the Q value Qa at the antiresonance frequency when the material is longitudinally vibrated is simulated using the finite element method.

図6(a)は、シミュレーション1における圧電薄膜共振器の断面図である。図6(a)に示すように、圧電膜14を領域13aから13fの6つの領域に等分割した。領域13aから13cは下部圧電膜14aに相当し、領域13dから13fは上部圧電膜14bに相当する。シミュレーション条件は以下である。
下部電極12:厚さが0.25μmのルテニウム膜
圧電膜14:膜厚が1.3μmnmのC軸配向の窒化アルミニウム
上部電極16:厚さが0.25μmのルテニウム膜
下部電極12と上部電極16との間に振幅が1Vであり周波数が1900MHzから2200MHzの交流電圧を印加してアドミッタンスの周波数依存を算出した。アドミッタンス特性の算出結果をmBVD(Modified Butterworth-Van-Dyke)モデルでフィッティングし反共振周波数のQ値Qaを算出した。
FIG. 6A is a cross-sectional view of the piezoelectric thin film resonator in Simulation 1. As shown in FIG. 6A, the piezoelectric film 14 was equally divided into six regions 13a to 13f. The regions 13a to 13c correspond to the lower piezoelectric film 14a, and the regions 13d to 13f correspond to the upper piezoelectric film 14b. The simulation conditions are as follows.
Lower electrode 12: Ruthenium film with a thickness of 0.25 μm Piezoelectric film 14: C-axis oriented aluminum nitride with a film thickness of 1.3 μm Upper electrode 16: Ruthenium film with a thickness of 0.25 μm Lower electrode 12 and upper electrode 16 And an amplitude of 1 V and a frequency of 1900 MHz to 2200 MHz were applied between the and, and the frequency dependence of the admittance was calculated. The calculation result of the admittance characteristic was fitted with an mBVD (Modified Butterworth-Van-Dyke) model to calculate the Q value Qa of the anti-resonance frequency.

表1は、サンプルAからCにおける各領域13aから13fのマテリアルQを示す図である。

Figure 2020092322
Table 1 is a diagram showing the materials Q of the regions 13a to 13f in the samples A to C.
Figure 2020092322

表1に示すように、サンプルAでは、領域13aから13cで順にマテリアルQが大きくなり、領域13dから13fで順にマテリアルQが大きくなる。これは、下部圧電膜14aでは下部電極12から接合面15に行くにしたがい結晶粒径が大きくなり、上部圧電膜14bでは接合面15から上部電極16に行くにしたがい結晶粒径が大きくなることに対応する。例えば、下部電極12上に下部圧電膜14aを成膜し、下部圧電膜14a上に上部圧電膜14bをスパッタリング法等で成膜すると、サンプルAのようになる。 As shown in Table 1, in the sample A, the material Q increases in order in the regions 13a to 13c, and the material Q increases in order in the regions 13d to 13f. This means that in the lower piezoelectric film 14a, the crystal grain size increases as it goes from the lower electrode 12 to the bonding surface 15, and in the upper piezoelectric film 14b, the crystal grain size increases as it goes from the bonding surface 15 to the upper electrode 16. Correspond. For example, when the lower piezoelectric film 14a is formed on the lower electrode 12 and the upper piezoelectric film 14b is formed on the lower piezoelectric film 14a by a sputtering method or the like, a sample A is obtained.

サンプルBでは、領域13aから13cで順にマテリアルQが大きくなり、領域13dから13fで順にマテリアルQが小さくなる。これは、実施例1のように、下部圧電膜14aでは下部電極12から接合面15に行くにしたがい結晶粒径が大きくなり、上部圧電膜14bでは上部電極16から接合面15に行くにしたがい結晶粒径が大きくなることに対応する。 In the sample B, the material Q increases in order in the regions 13a to 13c, and the material Q decreases in order in the regions 13d to 13f. This is because in the lower piezoelectric film 14a, the crystal grain size becomes larger as it goes from the lower electrode 12 to the bonding surface 15, and in the upper piezoelectric film 14b as it goes from the upper electrode 16 to the bonding surface 15 as in Example 1. Corresponding to larger particle size.

サンプルCでは、領域13aから13cで順にマテリアルQが小さくなり、領域13dから13fで順にマテリアルQが大きくなる。これは、実施例1とは逆であり、下部圧電膜14aでは接合面15から下部電極12に行くにしたがい結晶粒径が大きくなり、上部圧電膜14bでは接合面15から上部電極16に行くにしたがい結晶粒径が大きくなることに対応する。 In the sample C, the material Q becomes smaller in order in the regions 13a to 13c, and the material Q becomes larger in order in the regions 13d to 13f. This is the reverse of Example 1, and the crystal grain size increases from the bonding surface 15 to the lower electrode 12 in the lower piezoelectric film 14a, and from the bonding surface 15 to the upper electrode 16 in the upper piezoelectric film 14b. Therefore, it corresponds to the increase of the crystal grain size.

図6(b)は、サンプルAからCの反共振周波数におけるQ値を示す図である。図6(b)に示すように、サンプルA、BおよびCの反共振周波数におけるQ値Qaはそれぞれ2499、2795および2349である。サンプルBのQaが最も大きく、サンプルCのQaが最も小さい。 FIG. 6B is a diagram showing the Q value at the anti-resonance frequency of samples A to C. As shown in FIG. 6B, the Q values Qa at the anti-resonance frequencies of Samples A, B and C are 2499, 2795 and 2349, respectively. Sample B has the largest Qa, and sample C has the smallest Qa.

図7(a)から図7(c)は、シミュレーション1における歪、応力および弾性波エネルギー密度を示す図である。歪は厚さ縦振動の振幅に相当する。応力はフォン−ミーゼス応力に相当する。弾性波エネルギー密度は厚さ縦振動によるエネルギー密度である。縦軸は下部電極12に下面を0とした積層方向の座標を示す。座標が0から0.25μmの範囲は下部電極12に対応し、座標が0.25μmから1.55μmの範囲は圧電膜14に対応し、座標が1.55μmから1.8μmの範囲は上部電極16に対応する。 FIG. 7A to FIG. 7C are diagrams showing strain, stress, and elastic wave energy density in the simulation 1. The strain corresponds to the amplitude of the thickness longitudinal vibration. The stress corresponds to the von Mises stress. The elastic wave energy density is the energy density due to thickness longitudinal vibration. The vertical axis represents the coordinates in the stacking direction with the lower surface of the lower electrode 12 being zero. The range of coordinates 0 to 0.25 μm corresponds to the lower electrode 12, the range of coordinates 0.25 μm to 1.55 μm corresponds to the piezoelectric film 14, and the range of coordinates 1.55 μm to 1.8 μm is the upper electrode. Corresponds to 16.

図7(a)から図7(c)に示すように、歪、応力および弾性波エネルギー密度とも圧電膜14では、下部電極12および上部電極16より大きい。圧電膜14内では、圧電膜14の厚さ方向の中央に相当する座標が0.9μmにおいて、歪、応力および弾性波エネルギー密度が最も大きくなる。座標が0.9μmから大きくなるまたは小さくなると歪、応力および弾性波エネルギー密度は小さくなる。損失を抑制しQ値を向上させるためには、弾性波エネルギー密度の大きい領域においてマテリアルQを大きくすることが有効である。サンプルでは圧電膜14の中央付近の領域13cおよび13dのマテリアルQが大きい。このため、サンプルBにおいてQaが高くなったと考えられる。 As shown in FIGS. 7A to 7C, the strain, stress, and elastic wave energy density of the piezoelectric film 14 are larger than those of the lower electrode 12 and the upper electrode 16. In the piezoelectric film 14, the strain, the stress, and the elastic wave energy density are the largest when the coordinate corresponding to the center of the piezoelectric film 14 in the thickness direction is 0.9 μm. The strain, stress, and elastic wave energy density decrease as the coordinates increase or decrease from 0.9 μm. In order to suppress the loss and improve the Q value, it is effective to increase the material Q in the region where the elastic wave energy density is large. In the sample, the material Q of the regions 13c and 13d near the center of the piezoelectric film 14 is large. Therefore, it is considered that the sample B had a higher Qa.

特許文献1および2のように、圧電膜14である窒化アルミニウム膜にAlサイトに置換する不純物元素を添加すると、圧電性が向上しQ値が向上する。しかしながら電気機械結合係数が低下する。このように、圧電膜14の圧電性と電気機械結合係数はトレードオフの関係である。圧電膜14の圧電性と電気機械結合係数をともに向上させるためには、圧電膜14の膜質を改善し、弾性波の損失を低減することが求められる。 As in Patent Documents 1 and 2, when an impurity element substituting an Al site is added to the aluminum nitride film which is the piezoelectric film 14, the piezoelectric property is improved and the Q value is improved. However, the electromechanical coupling coefficient decreases. As described above, the piezoelectricity of the piezoelectric film 14 and the electromechanical coupling coefficient have a trade-off relationship. In order to improve both the piezoelectricity and the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric film 14, it is necessary to improve the film quality of the piezoelectric film 14 and reduce the loss of elastic waves.

圧電膜14をスパッタリング法または真空蒸着法等を用い成膜すると多結晶膜となる。多結晶膜では粒界においてすべり等により弾性波の損失を生じうる。そこで、圧電膜14をMOCVD(Metal Organic CVD)法等を用いエピタキシャル成長することで、圧電膜14を単結晶に近い膜とすることができる。これにより、圧電膜14内の粒界はほぼなくなり、弾性波の損失が低減する。しかしながら、MOCVD装置は高価である。また、MOCVD法を用い圧電膜14を成膜しようとすると成膜温度が高くなる。このため、既存のプロセスを大幅に見直すことになる。 When the piezoelectric film 14 is formed by a sputtering method, a vacuum evaporation method, or the like, it becomes a polycrystalline film. In the polycrystalline film, slip of a grain boundary may cause elastic wave loss. Therefore, the piezoelectric film 14 can be formed into a film close to a single crystal by epitaxially growing the piezoelectric film 14 by using a MOCVD (Metal Organic CVD) method or the like. As a result, grain boundaries in the piezoelectric film 14 are almost eliminated, and the loss of elastic waves is reduced. However, MOCVD equipment is expensive. Further, when the MOCVD method is used to form the piezoelectric film 14, the film forming temperature becomes high. As a result, the existing process will be significantly revised.

図8(a)および図8(b)は、実施例1に係る圧電膜の断面模式図である。図8(a)に示すように、実施例1によれば、圧電膜14は、圧電材料を含む複数の結晶粒を含み、厚さ方向の領域15b(中央領域)における平均結晶粒径は、厚さ方向における領域15bの両側の領域15aおよび15cにおける平均結晶粒径より大きい。これにより、歪、応力および弾性波エネルギー密度の最も大きい領域15bにおけるマテリアルQを大きくできる。このため、損失が低減し圧電性(Q値)を向上させることができる。また、圧電膜14に添加する不純物を少なくできるため、電気機械結合係数の低下を抑制できる。 8A and 8B are schematic cross-sectional views of the piezoelectric film according to the first embodiment. As shown in FIG. 8A, according to the first embodiment, the piezoelectric film 14 includes a plurality of crystal grains containing a piezoelectric material, and the average crystal grain size in the region 15b (central region) in the thickness direction is: It is larger than the average crystal grain size in the regions 15a and 15c on both sides of the region 15b in the thickness direction. As a result, the material Q in the region 15b having the largest strain, stress, and elastic wave energy density can be increased. Therefore, the loss can be reduced and the piezoelectricity (Q value) can be improved. Further, since the amount of impurities added to the piezoelectric film 14 can be reduced, it is possible to suppress the decrease in the electromechanical coupling coefficient.

領域15aから15cにおける平均結晶粒径の求め方の例を説明する。領域15aから15cの厚さをそれぞれTaからTcとする。TaからTcが各々圧電膜14の厚さTの1/3となるようにする。すなわち、圧電膜14を領域15aから15cに等分割する。各領域15aから15cの厚さ方向の中心位置におけるそれぞれA−A断面、B−B断面およびC−C断面を観察する。なお、領域15aから15cの厚さおよび各領域15aから15cの中心位置は圧電膜14の厚さTの5%程度の誤差は許容できる。 An example of how to obtain the average crystal grain size in the regions 15a to 15c will be described. The thicknesses of the regions 15a to 15c are Ta to Tc, respectively. Each of Ta to Tc is set to 1/3 of the thickness T of the piezoelectric film 14. That is, the piezoelectric film 14 is equally divided into regions 15a to 15c. The AA cross section, the BB cross section, and the CC cross section at the center positions of the respective regions 15a to 15c in the thickness direction are observed. The thickness of the regions 15a to 15c and the center position of each of the regions 15a to 15c are allowed to have an error of about 5% of the thickness T of the piezoelectric film 14.

A−A断面、B−B断面およびC−C断面を例えばTEM画像を観察する。TEM画像の回折コントラストを用いると結晶粒が観察しやすく、画像上で結晶粒を画定しやすくなる。結晶粒が画定できないものはサンプリングせず、結晶粒が画定できたものをサンプリングする。例えば500nm×500nmのTEM画像から結晶粒をサンプリングする。結晶粒のサンプリング数は60個以上が好ましい。結晶粒のサンプリング数が60個未満の場合はTEM画像を増やす。 For example, a TEM image of the AA cross section, the BB cross section, and the CC cross section is observed. When the diffraction contrast of the TEM image is used, the crystal grains can be easily observed and the crystal grains can be easily defined on the image. If the crystal grains cannot be defined, the sample is not sampled, but the crystal grains are defined. For example, crystal grains are sampled from a TEM image of 500 nm×500 nm. The number of crystal grains sampled is preferably 60 or more. When the number of crystal grains sampled is less than 60, the number of TEM images is increased.

サンプリングした結晶粒の面積を測定する。測定した結晶粒の面積を円相当の径に換算する。結晶粒の面積がSのとき、結晶粒径Rは2×√(S/π)である。結晶粒径Rを平均すると平均結晶粒径となる。 The area of the sampled crystal grain is measured. The measured crystal grain area is converted into a diameter corresponding to a circle. When the area of the crystal grain is S, the crystal grain size R is 2×√(S/π). The average crystal grain size is obtained by averaging the crystal grain sizes R.

図2(b)において説明した平均結晶粒径の一例を用い結晶粒のサンプル数に対する平均結晶粒径の標準誤差を算出した。図9は、サンプル数に対する標準誤差を示す図である。白丸は圧電膜14の表面から0.08μmでの標準誤差σ/√Nの算出結果、黒丸はシリコン基板の上面から0.08μmでの標準誤差σ/√Nの算出結果である。図9に示すように、サンプル数Nが大きくなると標準誤差は小さくなり、平均結晶粒径の精度が高くなる。サンプル数が60個以上では標準誤差は2nm以下であり、平均結晶粒径の比較が十分可能である。 Using the example of the average crystal grain size described in FIG. 2B, the standard error of the average crystal grain size with respect to the sample number of crystal grains was calculated. FIG. 9 is a diagram showing the standard error with respect to the number of samples. The white circles are the calculation results of the standard error σ/√N at 0.08 μm from the surface of the piezoelectric film 14, and the black circles are the calculation results of the standard error σ/√N at 0.08 μm from the upper surface of the silicon substrate. As shown in FIG. 9, as the number of samples N increases, the standard error decreases and the accuracy of the average crystal grain size increases. When the number of samples is 60 or more, the standard error is 2 nm or less, and it is possible to sufficiently compare the average crystal grain sizes.

図8(b)に示すように、圧電膜14が下部圧電膜14aと上部圧電膜14bを含む場合、領域15bにおける平均結晶粒界はB−B断面およびB´−B´断面において求めてもよい。B−B断面は領域15b内の下部圧電膜14aの厚さ方向の中心位置であり、B´−B´断面は領域15b内の上部圧電膜14bの厚さ方向の中心位置である。中心位置は圧電膜14の厚さTの5%程度の誤差は許容できる。 As shown in FIG. 8B, when the piezoelectric film 14 includes the lower piezoelectric film 14a and the upper piezoelectric film 14b, the average crystal grain boundaries in the region 15b can be obtained in the BB cross section and the B'-B' cross section. Good. The BB cross section is the center position in the thickness direction of the lower piezoelectric film 14a in the region 15b, and the B'-B' cross section is the center position in the thickness direction of the upper piezoelectric film 14b in the region 15b. An error of about 5% of the thickness T of the piezoelectric film 14 can be allowed in the center position.

領域15bにおける平均結晶粒径は、両側の領域15aおよび15cにおける平均結晶粒径の1.5倍以上であることが好ましく、2倍以上がより好ましく、2.5倍以上がさらに好ましい。 The average crystal grain size in the region 15b is preferably 1.5 times or more, more preferably 2 times or more, and further preferably 2.5 times or more the average crystal grain size in the regions 15a and 15c on both sides.

圧電膜14は、厚さ方向に積層された下部圧電膜14a(第1圧電膜)および上部圧電膜14b(第2圧電膜)を備え、下部圧電膜14aと上部圧電膜14bとの界面(接合面15)において複数の結晶粒は連続せず、領域15bは界面を含む。例えば圧電膜14内に挿入膜28を形成する場合、圧電膜14を2回に分けて成膜する。この場合には、圧電膜14を1回で厚く成膜できないため、結晶粒が小さくなる。上部圧電膜14bを下部圧電膜14a上に形成すると、表1のサンプルAのようにQ値が低下する。そこで、領域15b内の下部圧電膜14aの平均結晶粒径と領域15b内の上部圧電膜14bの平均結晶粒径とは、領域15aおよび15cにおける平均結晶粒径より大きい。これにより、圧電膜14の圧電性を高くすることができる。 The piezoelectric film 14 includes a lower piezoelectric film 14a (first piezoelectric film) and an upper piezoelectric film 14b (second piezoelectric film) stacked in the thickness direction, and an interface (bonding) between the lower piezoelectric film 14a and the upper piezoelectric film 14b. A plurality of crystal grains are not continuous on the surface 15), and the region 15b includes an interface. For example, when the insertion film 28 is formed in the piezoelectric film 14, the piezoelectric film 14 is formed twice. In this case, since the piezoelectric film 14 cannot be thickly formed at one time, the crystal grain becomes small. When the upper piezoelectric film 14b is formed on the lower piezoelectric film 14a, the Q value is lowered like the sample A in Table 1. Therefore, the average crystal grain size of the lower piezoelectric film 14a in the region 15b and the average crystal grain size of the upper piezoelectric film 14b in the region 15b are larger than the average crystal grain size in the regions 15a and 15c. Thereby, the piezoelectricity of the piezoelectric film 14 can be increased.

図2(b)のように、基板10(第1基板)上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなるように下部圧電膜14a(第1圧電膜)を形成する。図3(a)のように、基板32(第2基板)上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなりかつ成長面が下部圧電膜14aの成長面と反対の分極面となるように上部圧電膜14b(第2圧電膜9を形成する。図3(b)のように、下部圧電膜14aの基板10と反対の表面と、上部圧電膜14bの基板32と反対の表面と、を接合させる。これにより、領域15aおよび15bにおける平均結晶粒径は、圧電膜14の厚さ方向の両表面から界面(接合面15)に行くに従い大きくなる。よって、圧電膜14の圧電性をより高くすることができる。また、下部圧電膜14aと上部圧電膜14bとの誘電分極の極性が同じとなるため、厚み縦振動の奇数モード(例えば1次モード)により共振する圧電薄膜共振器となる。 As shown in FIG. 2B, the lower piezoelectric film 14a (first piezoelectric film) is formed on the substrate 10 (first substrate) so that the crystal grain size becomes larger as it grows. As shown in FIG. 3A, on the substrate 32 (second substrate), the crystal grain size becomes larger as it grows and the growth surface becomes the polarization surface opposite to the growth surface of the lower piezoelectric film 14a. Piezoelectric film 14b (second piezoelectric film 9 is formed. As shown in FIG. 3B, the surface of the lower piezoelectric film 14a opposite to the substrate 10 is joined to the surface of the upper piezoelectric film 14b opposite to the substrate 32. As a result, the average crystal grain size in the regions 15a and 15b increases from both surfaces in the thickness direction of the piezoelectric film 14 toward the interface (bonding surface 15), and thus the piezoelectricity of the piezoelectric film 14 becomes higher. Moreover, since the lower piezoelectric film 14a and the upper piezoelectric film 14b have the same dielectric polarization polarity, the piezoelectric thin film resonator resonates in an odd mode (eg, first-order mode) of thickness longitudinal vibration.

複数の結晶粒が柱状構造を有する場合、領域15bにおける厚さ方向から見た平均結晶粒径は、領域15aおよび15cにおける厚さ方向から見た平均結晶粒径より大きい。柱状構造では粒界における結晶粒間の結合が弱いため、粒界における弾性波の損失が大きくなりやすい。そこで、領域15bの平均結晶粒径を領域15aおよび15cの平均結晶粒径より大きくする。これにより、圧電膜14の圧電性をより高くすることができる。なお、結晶粒が柱状構造を有しない場合には、領域15aから15cにおける平均結晶粒径を圧電膜14の平面方向から見た平均結晶粒径で比較してもよい。 When the plurality of crystal grains have a columnar structure, the average crystal grain size in the thickness direction in the region 15b is larger than the average crystal grain size in the thickness direction in the regions 15a and 15c. In the columnar structure, the bond between the crystal grains at the grain boundary is weak, so that the elastic wave loss at the grain boundary tends to increase. Therefore, the average crystal grain size of the region 15b is made larger than the average crystal grain size of the regions 15a and 15c. Thereby, the piezoelectricity of the piezoelectric film 14 can be further increased. When the crystal grains do not have a columnar structure, the average crystal grain size in the regions 15a to 15c may be compared with the average crystal grain size viewed from the plane direction of the piezoelectric film 14.

圧電材料が窒化アルミニウムのとき、圧電膜14は、スカンジウム、または、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウムおよび亜鉛の少なくとも1つの元素とチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、バナジウムおよびタンタルの少なくとも1つの元素とを含む。これらの元素は主にアルミニウムと置き換わる。これにより、圧電膜14の圧電性をより高めることができる。 When the piezoelectric material is aluminum nitride, the piezoelectric film 14 contains scandium or at least one element of calcium, magnesium, strontium and zinc and at least one element of titanium, zirconium, hafnium, niobium, vanadium and tantalum. These elements mainly replace aluminum. Thereby, the piezoelectricity of the piezoelectric film 14 can be further enhanced.

圧電薄膜共振器では、圧電膜14は基板10上に設けられている。下部電極12(第1電極)および上部電極16(第2電極)は、圧電膜14の少なくとも一部を厚さ方向に挟み対向し、それぞれ領域15aおよび15cと接する。このような共振器では、図7(a)から図7(c)のように、圧電膜14の領域15bにおける歪、応力および弾性波エネルギー密度が大きい。そこで、領域15b内の下部圧電膜14aの平均結晶粒径と領域15b内の上部圧電膜14bの平均結晶粒径とを大きくする。これにより、圧電薄膜共振器のQ値を向上できる。 In the piezoelectric thin film resonator, the piezoelectric film 14 is provided on the substrate 10. The lower electrode 12 (first electrode) and the upper electrode 16 (second electrode) face each other with at least a portion of the piezoelectric film 14 sandwiched in the thickness direction, and are in contact with the regions 15a and 15c, respectively. In such a resonator, as shown in FIGS. 7A to 7C, the strain, stress and elastic wave energy density in the region 15b of the piezoelectric film 14 are large. Therefore, the average crystal grain size of the lower piezoelectric film 14a in the region 15b and the average crystal grain size of the upper piezoelectric film 14b in the region 15b are increased. Thereby, the Q value of the piezoelectric thin film resonator can be improved.

[実施例1の変形例1]
図10(a)は、実施例1の変形例1に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図10(a)に示すように、圧電膜14内に挿入膜は設けられていない。その他の構成は実施例1と同じであり説明を省略する。実施例1の変形例1のように、挿入膜28は設けられていなくてもよい。
[Modification 1 of Embodiment 1]
FIG. 10A is a cross-sectional view of the piezoelectric thin film resonator according to the first modification of the first embodiment. As shown in FIG. 10A, no insertion film is provided in the piezoelectric film 14. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and the description is omitted. Unlike the first modification of the first embodiment, the insertion film 28 may not be provided.

[実施例1の変形例2]
図10(b)は、実施例1の変形例2に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図10(b)に示すように、基板10の上面に窪みが形成されている。下部電極12は、基板10上に平坦に形成されている。これにより、空隙30が、基板10の窪みに形成されている。空隙30は共振領域50を含むように形成されている。その他の構成は、実施例1と同じであり説明を省略する。空隙30は、基板10を貫通するように形成されていてもよい。
[Modification 2 of Embodiment 1]
FIG. 10B is a cross-sectional view of the piezoelectric thin film resonator according to the second modification of the first embodiment. As shown in FIG. 10B, a recess is formed on the upper surface of the substrate 10. The lower electrode 12 is formed flat on the substrate 10. Thereby, the void 30 is formed in the depression of the substrate 10. The void 30 is formed to include the resonance region 50. Other configurations are the same as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted. The void 30 may be formed so as to penetrate the substrate 10.

[実施例1の変形例3]
図10(c)は、実施例1の変形例3に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図10(c)に示すように、共振領域50の下部電極12下に音響反射膜31が形成されている。音響反射膜31は、音響インピーダンスの低い膜31aと音響インピーダンスの高い膜31bとが交互に設けられている。膜31aおよび31bの膜厚は例えばそれぞれほぼλ/4(λは弾性波の波長)である。膜31aと膜31bの積層数は任意に設定できる。音響反射膜31は、音響特性の異なる少なくとも2種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板10が音響反射膜31の音響特性の異なる少なくとも2種類の層のうちの1層であってもよい。例えば、音響反射膜31は、基板10中に音響インピーダンスの異なる膜が一層設けられている構成でもよい。その他の構成は、実施例1と同じであり説明を省略する。
[Modification 3 of Embodiment 1]
FIG. 10C is a cross-sectional view of the piezoelectric thin film resonator according to Modification 3 of Example 1. As shown in FIG. 10C, the acoustic reflection film 31 is formed below the lower electrode 12 in the resonance region 50. The acoustic reflection film 31 is formed by alternately providing a film 31a having a low acoustic impedance and a film 31b having a high acoustic impedance. The film thickness of each of the films 31a and 31b is, for example, approximately λ/4 (λ is the wavelength of the elastic wave). The number of stacked films 31a and 31b can be set arbitrarily. The acoustic reflection film 31 may be formed by stacking at least two types of layers having different acoustic characteristics with a gap. The substrate 10 may be one of at least two types of layers having different acoustic characteristics of the acoustic reflection film 31. For example, the acoustic reflection film 31 may have a configuration in which one film having different acoustic impedances is provided in the substrate 10. Other configurations are the same as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted.

実施例1およびその変形例1および2のように、圧電薄膜共振器は、共振領域50において空隙30が基板10と下部電極12との間に形成されているFBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)でもよい。また、実施例1の変形例2のように、圧電薄膜共振器は、共振領域50において下部電極12下に圧電膜14を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜31を備えるSMR(Solidly Mounted Resonator)でもよい。音響反射層は、空隙30または音響反射膜31を含めばよい。 As in Example 1 and Modifications 1 and 2, the piezoelectric thin film resonator may be an FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) in which a void 30 is formed between the substrate 10 and the lower electrode 12 in the resonance region 50. .. In addition, as in the second modification of the first embodiment, the piezoelectric thin film resonator includes an SMR (Solidly Mounted Resonator) that includes an acoustic reflection film 31 that reflects acoustic waves propagating through the piezoelectric film 14 below the lower electrode 12 in the resonance region 50. ) Is OK. The acoustic reflection layer may include the void 30 or the acoustic reflection film 31.

実施例1およびその変形例2および3において、挿入膜28が共振領域50の外周領域52に設けられているが、挿入膜28は共振領域50の中央領域54を囲むように外周領域52の少なくとも一部に設けられていればよい。挿入膜28は共振領域50の外側に設けられてなくてもよい。挿入膜28は、共振領域50内の少なくとも一部に設けられていればよい。共振領域50の平面形状として楕円形状を例に説明したが、四角形状または五角形状等の多角形状でもよい。 In the first embodiment and the modifications 2 and 3, the insertion film 28 is provided in the outer peripheral region 52 of the resonance region 50. However, the insertion film 28 surrounds the central region 54 of the resonance region 50 and at least the outer peripheral region 52. It may be provided in part. The insertion film 28 may not be provided outside the resonance region 50. The insertion film 28 may be provided on at least a part of the resonance region 50. Although the elliptical shape is described as an example of the planar shape of the resonance region 50, it may be a polygonal shape such as a quadrangular shape or a pentagonal shape.

実施例1およびその変形例では、圧電膜を用いる弾性波デバイスとして圧電薄膜共振器を例に説明したが、圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極を有する弾性波デバイスでもよい。例えば、圧電膜上に櫛型電極が設けられたラム波を利用する共振器でもよい。このような共振器では、基板10と、基板10上に設けられた圧電膜14と、圧電膜14の少なくとも一部を厚さ方向に挟み対向する下部電極12および上部電極16と、を備える。 Although the piezoelectric thin film resonator is described as an example of the elastic wave device using the piezoelectric film in the first embodiment and its modification, an elastic wave device having an electrode for exciting an elastic wave propagating through the piezoelectric film may be used. For example, a resonator using a Lamb wave in which a comb-shaped electrode is provided on the piezoelectric film may be used. Such a resonator includes a substrate 10, a piezoelectric film 14 provided on the substrate 10, and a lower electrode 12 and an upper electrode 16 which are opposed to each other with at least a part of the piezoelectric film 14 sandwiched in the thickness direction.

また、圧電膜14は、圧電デバイスに用いてもよい。圧電膜14を用いることのできる圧電デバイスは、弾性波デバイス以外に例えばアクチュエータおよびセンサ等である。アクチュエータとしては、例えばインクジェットを用いたマイクロポンプ、RF(Radio Frequency)−MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、および光ミラーである。センサは、例えば加速度センサ、ジャイロセンサ、およびエナジーハーベストセンサである。 Moreover, the piezoelectric film 14 may be used for a piezoelectric device. Piezoelectric devices that can use the piezoelectric film 14 are, for example, actuators and sensors in addition to acoustic wave devices. The actuator is, for example, a micro pump using an inkjet, an RF (Radio Frequency)-MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), and an optical mirror. The sensor is, for example, an acceleration sensor, a gyro sensor, and an energy harvest sensor.

実施例2は、実施例1およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いたフィルタおよびデュプレクサの例である。図11(a)は、実施例2に係るフィルタの回路図である。図11(a)に示すように、入力端子T1と出力端子T2との間に、1または複数の直列共振器S1からS4が直列に接続されている。入力端子T1と出力端子T2との間に、1または複数の並列共振器P1からP4が並列に接続されている。1または複数の直列共振器S1からS4および1または複数の並列共振器P1からP4の少なくとも1つの共振器に実施例1およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いることができる。ラダー型フィルタの共振器の個数等は適宜設定できる。 Example 2 is an example of a filter and a duplexer using the piezoelectric thin film resonators of Example 1 and its modifications. FIG. 11A is a circuit diagram of the filter according to the second embodiment. As shown in FIG. 11A, one or a plurality of series resonators S1 to S4 are connected in series between the input terminal T1 and the output terminal T2. One or more parallel resonators P1 to P4 are connected in parallel between the input terminal T1 and the output terminal T2. The piezoelectric thin film resonator of the first embodiment and its modification can be used for at least one resonator of the one or more series resonators S1 to S4 and the one or more parallel resonators P1 to P4. The number of resonators of the ladder type filter can be set appropriately.

図11(b)は、実施例2の変形例1に係るデュプレクサの回路図である。図11(b)に示すように、共通端子Antと送信端子Txとの間に送信フィルタ40が接続されている。共通端子Antと受信端子Rxとの間に受信フィルタ42が接続されている。送信フィルタ40は、送信端子Txから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Antに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ42は、共通端子Antから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Rxに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ40および受信フィルタ42の少なくとも一方を実施例2のフィルタとすることができる。 FIG. 11B is a circuit diagram of the duplexer according to the first modification of the second embodiment. As shown in FIG. 11B, the transmission filter 40 is connected between the common terminal Ant and the transmission terminal Tx. The reception filter 42 is connected between the common terminal Ant and the reception terminal Rx. The transmission filter 40 allows a signal in the transmission band of the signals input from the transmission terminal Tx to pass through the common terminal Ant as a transmission signal and suppresses signals of other frequencies. The reception filter 42 passes the signal in the reception band among the signals input from the common terminal Ant to the reception terminal Rx as a reception signal, and suppresses signals of other frequencies. At least one of the transmission filter 40 and the reception filter 42 can be the filter of the second embodiment.

マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。 A duplexer has been described as an example of the multiplexer, but a triplexer or a quadplexer may be used.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to these specific embodiments, and various modifications and alterations are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

10 基板
12 下部電極
13a−13f、15a−15c 領域
14 圧電膜
14a 下部圧電膜
14b 上部圧電膜
15 接合面
16 上部電極
44 結晶粒
45 粒界
40 送信フィルタ
42 受信フィルタ
10 Substrate 12 Lower Electrodes 13a-13f, 15a-15c Region 14 Piezoelectric Film 14a Lower Piezoelectric Film 14b Upper Piezoelectric Film 15 Bonding Surface 16 Upper Electrode 44 Crystal Grain 45 Grain Boundary 40 Transmit Filter 42 Receive Filter

Claims (12)

圧電材料を含む複数の結晶粒を含み、
厚さ方向の中央領域における平均結晶粒径は、前記厚さ方向における前記中央領域の両側の領域における平均結晶粒径より大きい圧電膜。
Including a plurality of crystal grains including a piezoelectric material,
A piezoelectric film having an average crystal grain size in a central region in the thickness direction larger than an average crystal grain size in regions on both sides of the central region in the thickness direction.
前記中央領域における平均結晶粒径は、前記両側の領域における平均結晶粒径の1.5倍以上である請求項1に記載の圧電膜。 The piezoelectric film according to claim 1, wherein the average crystal grain size in the central region is 1.5 times or more the average crystal grain size in the regions on both sides. 前記圧電膜の厚さ方向に積層された第1圧電膜および第2圧電膜を備え、
前記第1圧電膜と前記第2圧電膜との界面において前記複数の結晶粒は連続せず、
前記中央領域は前記界面を含み、
前記中央領域内の前記第1圧電膜の平均結晶粒径と前記中央領域内の前記第2圧電膜の平均結晶粒径とは、前記両側の領域における平均結晶粒径より大きい請求項1または2に記載の圧電膜。
A first piezoelectric film and a second piezoelectric film stacked in the thickness direction of the piezoelectric film,
The plurality of crystal grains are not continuous at the interface between the first piezoelectric film and the second piezoelectric film,
The central region includes the interface,
The average crystal grain size of the first piezoelectric film in the central region and the average crystal grain size of the second piezoelectric film in the central region are larger than the average crystal grain sizes in the regions on both sides. The piezoelectric film according to 1.
前記第1圧電膜および前記第2圧電膜における平均結晶粒径は、前記第1圧電膜および前記第2圧電膜の前記界面の反対の面から前記界面に行くに従い大きくなる請求項3に記載の圧電膜。 The average crystal grain size in the first piezoelectric film and the second piezoelectric film increases as going from the surface opposite to the interface of the first piezoelectric film and the second piezoelectric film to the interface. Piezoelectric film. 前記複数の結晶粒は柱状構造を有し、
前記厚さ方向の中央領域における前記厚さ方向から見た平均結晶粒径は、前記厚さ方向における前記両側の領域における前記厚さ方向から見た平均結晶粒径より大きい請求項1から4のいずれか一項に記載の圧電膜。
The plurality of crystal grains have a columnar structure,
The average crystal grain size viewed from the thickness direction in the central region of the thickness direction is larger than the average crystal grain size viewed from the thickness direction in the regions on both sides in the thickness direction. The piezoelectric film according to any one of items.
前記圧電材料は窒化アルミニウムである請求項1から5のいずれか一項に記載の圧電膜。 The piezoelectric film according to claim 1, wherein the piezoelectric material is aluminum nitride. 基板と、
前記基板上に設けられた請求項1から6のいずれか一項に記載の圧電膜と、
前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第1電極および第2電極と、
を備える圧電デバイス。
Board,
The piezoelectric film according to any one of claims 1 to 6 provided on the substrate,
A first electrode and a second electrode that are opposed to each other with at least a part of the piezoelectric film sandwiched in the thickness direction, and are in contact with the regions on both sides, respectively.
A piezoelectric device including.
基板と、
前記基板上に設けられた請求項1から6のいずれか一項に記載の圧電膜と、
前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第1電極および第2電極と、
を備える共振器。
Board,
The piezoelectric film according to any one of claims 1 to 6 provided on the substrate,
A first electrode and a second electrode that are opposed to each other with at least a part of the piezoelectric film sandwiched in the thickness direction, and are in contact with the regions on both sides, respectively.
A resonator comprising.
基板と、
前記基板上に設けられた請求項3に記載の圧電膜と、
前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第1電極および第2電極と、
前記第1圧電膜と前記第2圧電膜との間に設けられた挿入膜と、
を備える共振器。
Board,
The piezoelectric film according to claim 3, which is provided on the substrate,
A first electrode and a second electrode that are opposed to each other with at least a part of the piezoelectric film sandwiched in the thickness direction, and are in contact with the regions on both sides, respectively.
An insertion film provided between the first piezoelectric film and the second piezoelectric film,
A resonator comprising.
請求項8または9に記載の共振器を含むフィルタ。 A filter including the resonator according to claim 8. 請求項10に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。 A multiplexer comprising the filter according to claim 10. 第1基板上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなるように第1圧電膜を形成する工程と、
第2基板上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなりかつ成長面が前記第1圧電膜の成長面と反対の分極面となるように第2圧電膜を形成する工程と、
前記第1圧電膜の前記第1基板と反対の表面と、前記第2圧電膜の前記第2基板と反対の表面と、を接合させる工程と、
を含む圧電膜の製造方法。
A step of forming a first piezoelectric film on the first substrate so that the crystal grain size becomes larger as it grows,
Forming a second piezoelectric film on the second substrate such that the crystal grain size increases as it grows and the growth surface is a polarization surface opposite to the growth surface of the first piezoelectric film;
Bonding a surface of the first piezoelectric film opposite to the first substrate and a surface of the second piezoelectric film opposite to the second substrate;
A method for manufacturing a piezoelectric film including:
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