JP3509709B2 - 圧電薄膜共振子及び圧電薄膜共振子の製造方法 - Google Patents

圧電薄膜共振子及び圧電薄膜共振子の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は圧電薄膜共振子に
関する。
【０００２】
【従来の技術】圧電基板の厚み縦振動を利用した圧電共
振子の共振周波数は、圧電基板の厚さに反比例するの
で、超高周波領域では圧電基板をきわめて薄く加工する
必要がある。しかしながら、圧電基板自体の厚さを薄く
するのは、その機械的強度や取扱い上の制限などから、
基本モードでは数１００ＭＨｚが実用上の高周波限界と
されてきた。
【０００３】このような問題を解決するために、従来、
ダイヤフラム型の圧電薄膜共振子が提案されており、フ
ィルタや共振器に用いられている。図５は従来の圧電薄
膜共振子の一例を示す断面図解図である。図５に示す圧
電薄膜共振子１はＳｉ基板２を含む。Ｓｉ基板２には、
微細加工法を用いて裏面から部分的にエッチングするこ
とによって、数μｍ以下の厚さの薄膜支持部３が形成さ
れる。薄膜支持部３の上には、両主面に一対の励振用電
極として下層電極４ａおよび上層電極４ｂを有する圧電
体薄膜としてのＡｌＮ圧電薄膜５が設けられる。それに
よって、薄膜支持部３およびその周辺部分がダイヤフラ
ム部６として形成される。図５に示す圧電薄膜共振子１
では、薄膜支持部３は微細加工技術を用いて薄く形成す
ることができ、ＡｌＮ圧電薄膜５もスパッタリングなど
によって薄く形成することができるので、数１００ＭＨ
ｚ〜数１０００ＭＨｚまで高周波特性をのばすことがで
きる可能性がある。
【０００４】また、従来、共振周波数の温度特性や反共
振特性などの良好な共振特性を得るために図６に示す圧
電薄膜共振子が提案されている。図６は従来の圧電薄膜
共振子の他の例を示す断面図解図である。図６に示す圧
電薄膜共振子７では、図５に示す圧電薄膜共振子１と比
べて、Ｓｉ基板２の上層部分にＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4、
Ａｌ2 Ｏ3 またはＺｎＯなどの薄膜８が形成される。
【０００５】図５および図６に示す圧電薄膜共振子１お
よび７を実現するためには、ダイヤフラム部６が破壊さ
れないように全体の応力を制御する必要があり、ＳｉＯ
2 の薄膜は強い圧縮性を持ち、Ｓｉ3 Ｎ4 の薄膜および
Ａｌ2 Ｏ3 の薄膜は強い引っ張り性を持つことなどか
ら、ＡｌＮ圧電薄膜５の内部応力を制御する必要があ
る。
【０００６】ところで、ＡｌＮ圧電薄膜で良好な圧電性
を示すためには、Ｃ軸が基板に対して垂直に配向し、ロ
ッキングカーブの半値幅が狭い方が望ましいといわれて
いる（たとえば、”弾性波素子技術ハンドブック”、日
本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会、オーム社
（１９９１））。一般的に、スパッタリング法でＡｌＮ
圧電薄膜を作製する場合、良好なＣ軸配向膜は成膜圧力
が０．６Ｐａ以下の低ガス圧領域で得られている（たと
えば、A. Rodriguez-Navarro, W. Otano-Rivera, J. M.
Garcia-Ruiz, R. Messier and L. J. Pilione, J. Mat
er. Res., Vol.12, No. 7, 1850(1997)）。一方、低ガ
ス圧領域では釘打ち効果（ｐｅｅｎｉｎｇ効果）が強い
ため、形成したＡｌＮ圧電薄膜は強い圧縮性を持ってし
まう。したがって、従来、成膜時のガス圧によってＡｌ
Ｎ圧電薄膜の内部応力を制御していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、成膜時のガ
ス圧を高くするとＡｌＮ圧電薄膜の配向性が低下し、そ
れにともない共振特性も低下する。したがって、ガス圧
により制御されたＡｌＮ圧電薄膜の内部応力と配向性と
はトレードオフの関係にあり、高い配向性を保ちなが
ら、内部応力を制御することが困難であった。
【０００８】それゆえに、この発明の主たる目的は、高
い配向性を保ちながら内部応力を制御することができる
薄膜を有する圧電薄膜共振子を提供することである。こ
の発明の他の目的は、高い配向性を保ちながら内部応力
を制御することができる薄膜を有する圧電薄膜共振子の
製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明にかかる圧電薄
膜共振子は、基板と、下層電極と、ＡｌＮを主成分とす
る圧電体薄膜と、上層電極と、ダイヤフラム部とを有す
る圧電薄膜共振子であって、前記ＡｌＮを主成分とする
圧電体薄膜は、結晶性がＣ軸配向であり、ロッキングカ
ーブの半値幅が１．４°〜１．６°であり、内部応力が
±１ＧＰａの範囲であることを特徴とする、圧電薄膜共
振子である。この発明にかかる圧電薄膜共振子は、たと
えば、前記基板と下層電極の間には、圧縮性の強い絶縁
膜を有することを特徴とする。この発明にかかる圧電薄
膜共振子は、たとえば、前記基板と下層電極の間には、
引っ張り性の強い絶縁膜を有することを特徴とする。こ
の発明にかかる圧電薄膜共振子の製造方法は、基板と、
下層電極と、ＡｌＮを主成分とする圧電体薄膜と、上層
電極と、ダイヤフラム部とを有する圧電薄膜共振子の製
造方法であって、前記ＡｌＮを主成分とする圧電体薄膜
を、Ａｒと窒素との混合ガスであって窒素流量比（窒素
流量／（Ａｒ流量＋窒素流量））が１０％〜７５％であ
る混合ガスを用いるスパッタリング法によって成膜する
ことを特徴とする、圧電薄膜共振子の製造方法である。
この発明にかかる圧電薄膜共振子の製造方法は、たとえ
ば、前記ＡｌＮを主成分とする圧電体薄膜の内部応力が
±１ＧＰａの範囲であることを特徴とする。
【００１０】この発明では、薄膜を形成するスパッタリ
ング法に用いられるＡｒと窒素との混合ガスの窒素流量
比を制御することによって、薄膜の配向性を変化させる
ことなく薄膜の内部応力を制御することができる。その
ため、薄膜をたとえば圧電共振子に搭載する場合、反り
や割れを減少するように薄膜の内部応力を選択しても、
薄膜の配向性の変化による共振特性への影響を小さくす
ることができる。
【００１１】この発明の上述の目的、その他の目的、特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１はこの発明にかかるＡｌＮ圧
電薄膜の一例を示す断面図解図である。図１に示すＡｌ
Ｎ圧電薄膜１０は、Ｓｉなどの基板１２上に形成され
る。この場合、ＡｌＮ圧電薄膜１０は、Ａｌターゲット
を有するＲＦマグネトロンスパッタ装置を用い、Ａｒと
窒素との混合ガスを用いて形成される。また、この場
合、基板１２の温度は１００℃で、装置のＲＦパワーは
１００Ｗで、窒素流量比は５％〜９０％で、ＡｌＮ圧電
薄膜１０が形成される。
【００１３】上記のようにして形成したＡｌＮ圧電薄膜
１０の内部応力およびＣ軸配向性の窒素流量比の依存性
を図２および図３のグラフに示す。内部応力σは、Ａｌ
Ｎ圧電薄膜１０の形成前後の基板１２の反り量δ、反り
量の測定距離Ｌ、ＡｌＮ圧電薄膜１０の膜厚ｄ、基板１
２のヤング率Ｅ、基板１２の厚さｔおよび基板１２のポ
アソン比ｐとの関係（式１）から算出した。 σ＝４Ｅｔ2 δ／３ｄ（１−ｐ）Ｌ2 ・・・（式１） また、Ｃ軸配向性については、Ｘ線回折の（００２）ロ
ッキングカーブ半値幅を測定した。
【００１４】図２および図３に示すグラフから分かるよ
うに、窒素流量比が１０％〜７５％において、ＡｌＮ圧
電薄膜１０のＣ軸配向性が１．４°〜１．６°と高配向
の安定領域で、ＡｌＮ圧電薄膜１０の内部応力を±１Ｇ
Ｐａの範囲で制御することができる。
【００１５】したがって、このＡｌＮ圧電薄膜１０で
は、成膜パラメーターである窒素流量比を制御すること
によって、高いＣ軸配向性を保ちながら、内部応力を制
御することができる。
【００１６】図４はこの発明にかかる圧電薄膜共振子の
一例を示す断面図解図である。図４に示す圧電薄膜共振
子２０はＳｉ基板２２を含む。
【００１７】Ｓｉ基板２２の上には、ＳｉＯ2 、Ｓｉ3
Ｎ4 またはＡｌ2 Ｏ3 などの薄膜２４、下層電極２６
ａ、圧電体薄膜としてのＡｌＮを主成分とするＡｌＮ圧
電薄膜２８および上層電極２６ｂが、その順番に形成さ
れる。この場合、薄膜２４は、Ｓｉ基板２２の上面全面
に形成される。下層電極２６ａは、薄膜２４の上面にお
いて中央部を含む部分に形成される。ＡｌＮ圧電薄膜２
８は、薄膜２４の中央部を含む部分に対応して、薄膜２
４および下層電極２６ａの上面に形成される。上層電極
２６ｂは、薄膜２４の中央部を含む部分に対応して、Ａ
ｌＮ圧電薄膜２８の上面に形成される。また、この場
合、ＡｌＮ圧電薄膜２８は、上述の図１に示すＡｌＮ圧
電薄膜１０を形成する条件と同じ条件で形成される。ま
た、それ以外の薄膜２４、下層電極２６ａおよび上層電
極２６ｂは、スパッタリングや蒸着などの手段で形成さ
れる。
【００１８】また、Ｓｉ基板２２には、薄膜２４の中央
部に対応する部分を裏面から異方性エッチングやＲＩＥ
（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などの
手段で除去することによって、ダイヤフラム部３０が形
成される。を形成する。
【００１９】この圧電薄膜共振子２０では、薄膜２４と
して用いる圧縮性の強いＳｉＯ2 や引っ張り性の強いＳ
ｉ3 Ｎ4 、Ａｌ2 Ｏ3 などの応力を緩和するようにＡｌ
Ｎ圧電薄膜２８の内部応力を制御しても、ＡｌＮ圧電薄
膜２８の配向性の変化が小さいため、電気機械結合係数
ｋ2 がバルクの３０％以上で安定した共振特性が得られ
る。
【００２０】また、この圧電薄膜共振子２０では、共振
周波数の温度特性などの共振特性を向上させる手段とし
て薄膜２４とＡｌＮ圧電薄膜２８との膜厚比を調整する
ことがあるが、膜厚比が変わることによるダイヤフラム
部３０の反りの調整をＡｌＮ圧電薄膜２８の内部応力で
制御することが可能である。
【００２１】したがって、この圧電薄膜共振子２０で
は、ダイヤフラム部３０の反りを小さくするためにＡｌ
Ｎ圧電薄膜２８の内部応力を制御しても、共振特性の変
化を小さくすることができる。
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【発明の効果】この発明によれば、圧電薄膜共振子に用
いられる圧電体薄膜の高い配向性を保ちながら内部応力
を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかるＡｌＮ圧電薄膜の一例を示す
断面図解図である。
【図２】ＡｌＮ圧電薄膜の内部応力の窒素流量比の依存
性を示すグラフである。
【図３】ＡｌＮ圧電薄膜のＣ軸配向性の窒素流量比の依
存性を示すグラフである。
【図４】この発明にかかる圧電薄膜共振子の一例を示す
断面図解図である。
【図５】従来の圧電薄膜共振子の一例を示す断面図解図
である。
【図６】従来の圧電薄膜共振子の他の例を示す断面図解
図である。
【符号の説明】
１０ ＡｌＮ圧電薄膜 １２ 基板 ２０ 圧電薄膜共振子 ２２ Ｓｉ基板 ２４ 薄膜 ２６ａ 下層電極 ２６ｂ 上層電極 ２８ ＡｌＮ圧電薄膜 ３０ ダイヤフラム部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０３Ｈ 9/17 Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１Ｚ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/09

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と、下層電極と、ＡｌＮを主成分と
    する圧電体薄膜と、上層電極と、ダイヤフラム部とを有
    する圧電薄膜共振子であって、 前記ＡｌＮを主成分とする圧電体薄膜は、結晶性がＣ軸
    配向であり、ロッキングカーブの半値幅が１．４°〜
    １．６°であり、内部応力が±１ＧＰａの範囲であるこ
    とを特徴とする、圧電薄膜共振子 。
  2. 【請求項２】 前記基板と下層電極の間には、圧縮性の
    強い絶縁膜を有することを特徴とする、請求項１に記載
    の圧電薄膜共振子。
  3. 【請求項３】 前記基板と下層電極の間には、引っ張り
    性の強い絶縁膜を有することを特徴とする、請求項１に
    記載の圧電薄膜共振子。
  4. 【請求項４】 基板と、下層電極と、ＡｌＮを主成分と
    する圧電体薄膜と、上層電極と、ダイヤフラム部とを有
    する圧電薄膜共振子の製造方法であって、 前記ＡｌＮを主成分とする圧電体薄膜を、Ａｒと窒素と
    の混合ガスであって窒素流量比（窒素流量／（Ａｒ流量
    ＋窒素流量））が１０％〜７５％である混合ガスを用い
    るスパッタリング法によって成膜することを特徴とす
    る、圧電薄膜共振子の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記ＡｌＮを主成分とする圧電体薄膜の
    内部応力が±１ＧＰａの範囲であることを特徴とする、
    請求項４に記載の圧電薄膜共振子の製造方法。
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