JP4016583B2

JP4016583B2 - 圧電薄膜共振子、フィルタおよび電子機器

Info

Publication number: JP4016583B2
Application number: JP2000262839A
Authority: JP
Inventors: 一山田; 幸夫吉野
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JP2002076824A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は圧電薄膜共振子、フィルタおよび電子機器に関し、特にたとえば携帯電話や通信機器などの高周波用の電子機器に用いられるフィルタや共振器に用いられるダイヤフラム型の圧電薄膜共振子などに関する。
【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、たとえば特願平１１−３５０５８５号に開示されているように、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３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３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ＡｌＮ圧電薄膜５が設けられる。図３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１００ＭＨｚ〜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。しかしながら、図３に示す圧電薄膜共振子１では、半導体であるＳｉ基板２が用いられるために、励振用電極およびＳｉ基板間の浮遊容量と、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板および励振用電極間の浮遊容量とを経由して、励振用電極間で高周波信号のもれが発生し、高い反共振特性が得られないという問題があった。
【０００４】
図４は上述の高い反共振特性が得られないという問題を改善した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４に示す圧電薄膜共振子６では、図３に示す圧電薄膜共振子１と比べて、Ｓｉ基板２の上層部分に絶縁膜であるＳｉＯ₂薄膜７が形成され、励振用電極およびＳｉ基板間の絶縁性を高めることによって、良好な共振特性が得られる。しかしながら、図３および図４に示す圧電薄膜共振子１および６では、基本厚み縦振動の振動節点に関して、ＡｌＮ圧電薄膜５が対称の位置からずれてしまうために、３次、５次といった奇数次の高調波の他に偶数次の高調波がスプリアスとなる欠点があった。
【０００５】
図５はたとえば特開昭５８−１３７３１７号に開示され上述の欠点が改善される従来の圧電薄膜共振子のさらに他の例を示す断面図解図である。図５に示す圧電薄膜共振子８では、図４に示す圧電薄膜共振子１と比べて、ＡｌＮ圧電薄膜５に対して上下対称にＳｉＯ₂薄膜７および９が形成されることによって、振動の節点がＡｌＮ圧電薄膜５の中央部分に位置するように形成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図４および図５に示す圧電薄膜共振子６および８では、ＳｉＯ₂薄膜中とＡｌＮ圧電薄膜中とでは音速が異なるため、ＳｉＯ₂薄膜とＡｌＮ圧電薄膜との境界において振動波の反射が大きく良好な共振特性が得られなかった。
また、ヤング率の温度係数の値はＳｉＯ₂とＡｌＮとでは同符号でありＳｉＯ₂の方がＡｌＮより大きいために（”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））、ＳｉＯ₂薄膜およびＡｌＮ圧電薄膜などの積層構造の図４および図５に示す圧電薄膜共振子６および８では、共振周波数の温度特性が悪かった。
さらに、図４および図５に示す圧電薄膜共振子６および８では、ＳｉＯ₂薄膜が強い圧縮性応力をもつため、素子が破壊されてしまうことがあった。
また、図４および図５に示す圧電薄膜共振子６および８では、ＳｉＯ₂薄膜がアモルファスであるために、ＳｉＯ₂薄膜上の下層電極の配向性が悪く、下層電極上のＡｌＮ圧電薄膜の配向性も悪く、良好な圧電性を示さなかった。
さらに、図３〜図５に示す圧電薄膜共振子１、６および８では、励振用電極とＡｌＮ圧電薄膜とを異なる装置で形成していたので製造コストが高くついていた。
また、図３〜図５に示す圧電薄膜共振子１、６および８では、励振用電極を形成した後や圧電薄膜を形成した後に、一旦真空装置から大気中に取出して次の成膜工程を行っていたので、励振用電極および圧電薄膜の界面に酸化層が形成され、共振特性の悪化を引き起こしていた。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、良好な共振特性および良好な共振周波数の温度特性を有し、素子の割れなどによる不良が少ない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、そのような圧電薄膜共振子を含むフィルタを提供することである。
この発明のさらに他の目的は、そのような圧電薄膜共振子またはフィルタを含む電子機器を提供することである。
【０００８】
【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、空洞を有する基板と、基板上に形成される薄膜と、薄膜上に形成される下層電極と、下層電極上に形成される圧電薄膜と、圧電薄膜上に形成される上層電極とを含む圧電薄膜共振子において、薄膜および圧電薄膜を同一の材料または同一の主成分を有する材料で形成したことを特徴とする、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では、薄膜および圧電薄膜は、それぞれ、たとえばＡｌＮを主成分とするＡｌＮ圧電薄膜である。
また、この発明にかかる圧電薄膜共振子では、薄膜および圧電薄膜は、それぞれ、たとえば、Ａｒと窒素との混合ガスを用いるスパッタリング法で形成され、内部応力が零応力程度とされる。
さらに、この発明にかかる圧電薄膜共振子では、薄膜および圧電薄膜は、それぞれ、たとえばガス圧が０．５Ｐａ〜１．２Ｐａの範囲のＡｒと窒素との混合ガスを用いるスパッタリング法で形成される。
また、この発明にかかる圧電薄膜共振子では、薄膜はたとえば基板の厚み方向に配向している。
さらに、この発明にかかる圧電薄膜共振子では、薄膜は、たとえば窒素ガスの流量比が２０％〜３０％の範囲のＡｒと窒素との混合ガスを用いるスパッタリング法で形成される。
また、この発明にかかる圧電薄膜共振子では、薄膜、下層電極、圧電薄膜および上層電極は、それぞれ、たとえばＡｌを主成分とするターゲットを用いたスパッタリング法で形成される。この場合、薄膜、下層電極、圧電薄膜および上層電極は、たとえば真空を破ることなく形成される。
さらに、この発明にかかる圧電薄膜共振子では、下層電極は、たとえば、（１１１）優先配向しやすい面心立方構造を有する金属材料で形成される。
また、この発明にかかるフィルタは、この発明にかかる圧電薄膜共振子を含むフィルタである。
さらに、この発明にかかる電子機器は、この発明にかかる圧電薄膜共振子またはフィルタを含む電子機器である。
【０００９】
この発明にかかる圧電薄膜共振子では、薄膜および圧電薄膜が同一の材料または同一の主成分を有する材料で形成されるので、音速の異なる材料の境界での反射がほとんどなくなり、良好な共振特性が得られる。
また、この発明にかかる圧電薄膜共振子では、薄膜および圧電薄膜が同一の材料または同一の主成分を有する材料で形成されるので、薄膜および圧電薄膜のヤング率の差が小さくなり、良好な共振周波数の温度特性が得られる。
さらに、この発明にかかる圧電薄膜共振子では、薄膜がたとえばＡｌＮ圧電薄膜などの圧電薄膜と同一の材料または同一の主成分を有する材料で形成されるので、薄膜中の音速が大きくなり、従来と同一周波数の圧電薄膜共振子を作製する場合に、膜厚の厚い薄膜を用いることができ、機械的強度を増すことができ、素子の割れなどによる不良を低減することができる。
また、この発明にかかる圧電薄膜共振子において、薄膜および圧電薄膜は、それぞれ、内部応力が零応力程度とされると、基板の反りを低減することができ、素子の割れなどによる不良を低減することができる。
さらに、この発明にかかる圧電薄膜共振子において、薄膜が基板の厚み方向に配向していると、良好な配向性を示す下層電極が得られ、下層電極上に形成される圧電薄膜の配向性も向上するため、良好な圧電性が生じ、さらに良好な共振特性が得られる。
また、この発明にかかる圧電薄膜共振子において、薄膜、下層電極、圧電薄膜および上層電極がそれぞれＡｌを主成分とするターゲットを用いたスパッタリング法で形成されると、スパッタガス種を変えるだけで、薄膜、下層電極、圧電薄膜および上層電極を同一装置で形成することができるために、製造コストを低減することができ、薄膜、下層電極、圧電薄膜および上層電極に生じる酸化層などの不純物層の生成を防ぐことができ、良好な共振特性が得られる。
さらに、この発明にかかる圧電薄膜共振子において、下層電極がたとえば（１１１）優先配向しやすい面心立方構造を有する金属材料で形成されると、下層電極が良好な（１１１）配向性を示し得る。
【００１０】
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。
【００１１】
【発明の実施の形態】
【実施例１】
図１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１に示す圧電薄膜共振子１０はＳｉ基板１２を含む。
【００１２】
Ｓｉ基板１２の上には、薄膜としてのＡｌＮを主成分とするＡｌＮ圧電薄膜１４、下層電極１６ａ、圧電薄膜としてのＡｌＮを主成分とするＡｌＮ圧電薄膜１８および上層電極１６ｂが、その順番に形成される。この場合、ＡｌＮ圧電薄膜１４は、Ｓｉ基板１２の上面全面に形成される。下層電極１６ａは、ＡｌＮ圧電薄膜１４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１８は、ＡｌＮ圧電薄膜１４の中央部を含む部分に対応して、ＡｌＮ圧電薄膜１４および下層電極１６ａの上面に形成される。上層電極１６ｂは、ＡｌＮ圧電薄膜１４の中央部を含む部分に対応して、ＡｌＮ圧電薄膜１８の上面に形成される。また、この場合、ＡｌＮ圧電薄膜１４および１８は、スパッタリングやＣＶＤなどの成膜法で形成される。下層電極１６ａおよび上層電極１６ｂは、スパッタリングや蒸着などの成膜法で形成される。
【００１３】
Ｓｉ基板１２には、ＡｌＮ圧電薄膜１４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（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）などの手段で除去することによって、空洞２０が形成される。
【００１４】
図１に示す圧電薄膜共振子１０では、図４に示す従来の圧電薄膜共振子６と比べて、ＳｉＯ₂薄膜７がＡｌＮ圧電薄膜１４に置き換えられているので、音速の異なる材料の境界での反射がほとんどなくなり、良好な共振特性が得られる。
また、図１示す圧電薄膜共振子１０では、図４に示す従来の圧電薄膜共振子６と比べて、ヤング率の温度係数がＡｌＮと同符号でＡｌＮより大きい値を持つＳｉＯ₂薄膜７がＡｌＮ圧電薄膜１４に置き換えられているので、良好な共振周波数の温度特性が得られる。
さらに、図１に示す圧電薄膜共振子１０では、図４に示す従来の圧電薄膜共振子６と比べて、ＳｉＯ₂中よりＡｌＮ中のほうが音速が大きいため、同一周波数を得る場合に、ＳｉＯ₂薄膜７より膜厚の厚いＡｌＮ圧電薄膜１４を用いることができ、機械的強度を増すことができ、素子の割れなどによる不良を低減することができる。
【００１５】
【実施例２】
実施例２では、実施例１と比べて、たとえばＡｒと窒素との混合ガスを用いるスパッタリング法によって、ＡｌＮ圧電薄膜１４および１８が、内部応力が零応力程度の薄膜に形成される。この場合、たとえば０．５Ｐａ未満の低ガス圧領域でＡｌＮ圧電薄膜を形成すると圧縮性の強い応力が発生するが、０．５Ｐａ〜１．２Ｐａの高ガス圧領域でＡｌＮ圧電薄膜を形成すると零応力程度の薄膜が得られる。
【００１６】
実施例２では、実施例１の作用効果を奏するとともに、内部応力の強いＳｉＯ₂薄膜を有することで生じていたＳｉ基板の反りから発生する素子の割れなどによる不良を低減することができる。
【００１７】
【実施例３】
実施例３では、実施例２と比べて、たとえばＡｒと窒素との混合ガスを用いるスパッタリング法によって、ＡｌＮ圧電薄膜１４が、内部応力が零応力程度でかつＳｉ基板１２の厚み方向にＣ軸配向した薄膜に形成される。この場合、たとえば窒素ガスの流量比を２０％〜３０％程度にすることによって、零応力程度でＣ軸配向した薄膜を形成することができる。また、下層電極１６ａは、たとえばＡｕやＡｌなどＳｉ基板１２の厚み方向に（１１１）優先配向しやすい面心立方構造を有する金属材料でたとえば蒸着法などの方法で形成される。
【００１８】
実施例３では、実施例２の作用効果を奏するとともに、次の作用効果も奏する。
ＡｌＮ圧電薄膜１８のＣ軸配向性は、下層電極１６ａの配向性に大きく影響される。実施例３では、ＡｌＮ圧電薄膜１４をＣ軸配向した薄膜とし、下層電極１６ａに（１１１）優先配向しやすくＡｌＮのＣ面とマッチングのよい金属材料を用いることによって、良好な（１１１）配向性を示す下層電極１６ａが得られ、下層電極１６ａ上に形成されるＡｌＮ圧電薄膜１８のＣ軸配向性も向上するため、良好な圧電性が生じ、さらに良好な共振特性が得られる。
【００１９】
【実施例４】
実施例４では、実施例１〜３と比べて、Ａｌを主成分とするターゲットを有するスパッタリング装置で、ＡｌＮ圧電薄膜１４、下層電極１６ａ、ＡｌＮ圧電薄膜１８および上層電極１６ｂが形成される。この場合、Ａｒと窒素との混合ガスを用いることによって、ＡｌＮ圧電薄膜１４が形成される。ＡｌＮ圧電薄膜１４を形成した後、続いて真空を破らずに、Ａｒガスを用いることによってＡｌ膜からなる下層電極１６ａが形成される。下層電極１６ａを形成した後、続いて真空を破らずに、Ａｒと窒素との混合ガスを用いることによってＡｌＮ圧電薄膜１８が形成され、続いて真空を破らずに、Ａｒガスを用いることによってＡｌ膜からなる上層電極１６ｂが形成される。このように、実施例４では、ＡｌＮ圧電薄膜１４から上層電極１６ｂまでが真空を破らずに成膜され、フォトリソグラフィやエッチングなどでパターニングされる。
【００２０】
実施例４では、実施例１〜３の作用効果を奏するとともに、次の作用効果も奏する。
実施例４では、ＡｌＮ圧電薄膜１４、下層電極１６ａ、ＡｌＮ圧電薄膜１８および上層電極１６ｂを同一装置で形成することができるために、製造コストを低減することができ、ＡｌＮ圧電薄膜１４、下層電極１６ａ、ＡｌＮ圧電薄膜１８および上層電極１６ｂなどに生じる不純物層の混入による共振特性の悪化を防ぐことができる。
【００２１】
図２はこの発明のかかる圧電薄膜共振子の他の例を示す断面図解図である。図２に示す圧電薄膜共振子１１では、図１に示す圧電薄膜共振子１０と比べて、ＡｌＮ圧電薄膜１８に対して上下対称にＡｌＮ圧電薄膜１４および２２が形成されることによって、振動の節点がＡｌＮ圧電薄膜１８の中央部分に位置するように形成される。
【００２２】
なお、上述の各圧電共振子１０および１１では薄膜および圧電薄膜がそれぞれＡｌＮを主成分とするＡｌＮ圧電薄膜１４および１８であるが、この発明では薄膜と圧電薄膜とは同一の材料または同一の主成分を有する材料で形成されてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
この発明によれば、良好な共振特性および良好な共振周波数の温度特性を有し、素子の割れなどによる不良が少ない圧電薄膜共振子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】この発明にかかる圧電薄膜共振子の他の例を示す断面図解図である。
【図３】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４】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５】従来の圧電薄膜共振子のさらに他の例を示す断面図解図である。
【符号の説明】
１０圧電薄膜共振子
１２Ｓｉ基板
１４ＡｌＮ圧電薄膜
１６ａ下層電極
１６ｂ上層電極
１８ＡｌＮ圧電薄膜
２０空洞
２２ＡｌＮ圧電薄膜

Claims

空洞を有する基板、
前記基板上に形成される薄膜、
前記薄膜上に形成される下層電極、
前記下層電極上に形成される圧電薄膜、および
前記圧電薄膜上に形成される上層電極を含む圧電薄膜共振子において、
前記薄膜および前記圧電薄膜を同一の材料または同一の主成分を有する材料で形成したことを特徴とする、圧電薄膜共振子。
前記薄膜および前記圧電薄膜は、それぞれ、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ圧電薄膜である、請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
前記薄膜および前記圧電薄膜は、それぞれ、Ａｒと窒素との混合ガスを用いるスパッタリング法で形成され、内部応力が零応力程度とされる、請求項１または請求項２に記載の圧電薄膜共振子。
前記薄膜および前記圧電薄膜は、それぞれ、ガス圧が０．５Ｐａ〜１．２Ｐａの範囲のＡｒと窒素との混合ガスを用いるスパッタリング法で形成される、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載に圧電薄膜共振子。
前記薄膜は配向している、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
前記薄膜は、窒素ガスの流量比が２０％〜３０％の範囲のＡｒと窒素との混合ガスを用いるスパッタリング法で形成される、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
前記薄膜、前記下層電極、前記圧電薄膜および前記上層電極は、それぞれ、Ａｌを主成分とするターゲットを用いたスパッタリング法で形成される、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
前記下層電極は、（１１１）優先配向しやすい面心立方構造を有する金属材料で形成される、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
前記薄膜、前記下層電極、前記圧電薄膜および前記上層電極は、真空を破ることなく形成される、請求項７に記載の圧電薄膜共振子。
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の圧電薄膜共振子を含む、フィルタ。
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の圧電薄膜共振子または請求項１０に記載のフィルタを含む、電子機器。